ITPN950042A1 - Sistema di controllo per bruciatore catalitico - Google Patents

Abstract

Il sistema di controllo comprende una termocoppia (15) che rivela la temperatura del catalizzatore (10) e pilota un dispositivo elettronico (6) che e sua volta controllo un accenditore (12, 13) ed una valvola (5) di alimentazione del gas al bruciatore (1). Durante una prima fase operativa (t0-t2), la valvola viene chiusa quando la temperatura del catalizzatore (10) supera di un valore (A) una predeterminata temperatura di innesco (T) della reazione catalitica; inoltre, la valvola (5) viene riaperta quando la temperatura del catalizzatore scende di un predeterminato valore (8) rispetto al valore (T + A), dove B A. Pertanto, la fiamma catalitica del bruciatore può innescarsi spontaneamente, senza la necessità di azionare ancora l'accenditore.

Description

Descrizione dell'invenzione industriale avente per titolo "SISTEMA DI CONTROLLO PER BRUCIATORE CATALITICO"

La presente invenzione si riferisce ad un sistema per controllare il funzionamento di un bruciatore catalitico impiegabile particolarmente in apparecchi di tipo domestico, ma anche di tipo industriale o in sistemi di climatizzazione .

Come è noto, la combustione catalitica consiste nell'ossidazione di un combustibile, ad esempio metano, con un comburente, ad esempio aria, che viene sostenuta a bassa temperatura (inferiore a 1000’C circa) da un opportuno materiale catalizzatore che risulta inalterato al termine del processo. I catalizzatori più noti ed usati sono metalli o composti metallici, quali ossidi, ceramiche, o simili, a base di elementi chimici appartenenti al gruppo dei metalli preziosi, in particolare platino, palladio, rodio

I catalizzatori sono normalmente supportati da un materiale inerte di grande area superficiale e in condizioni di grande porosità, quale allumina o rete metallica .

Bruciatori catalitici, in particolare per cucine domestiche, sono descritti ad esempio nell'US-A-3 067 811, nell'US-A-4 189 294 e nell'EP-A-0 469 251. Inoltre, la combustione catalitica si sta sempre più diffondendo nel settore automobilistico per ridurre lo scarico di gas nocivi prodotti dai motori a combustione interna.

Uno dei principali problemi dei bruciatori catalitici è la necessità di controllare la corretta combustione in modo da ridurre al minimo l'emissione di gas nocivi, in particolare CO, ed i prodotti incombusti che possono inquinare l'ambiente. Questo problema diventa ancora più complesso se si desidera, come ad esempio negli apparecchi di cottura domestici o di tipo commerciale, effettuare una regolazione continua della potenza termica erogata dal bruciatore .

In impianti di tipo industriale sono noti sistemi di controllo della combustione di un bruciatore catalitico del tipo ad anello chiuso. In particolare, la potenza termica erogata dal bruciatore è controllata modificando la portata del combustibile attraverso una valvola manuale, o simile. La portata del combustibile, ad esempio GPL, viene misurata da un apposito sensore di flusso. L'informazione ottenuta da questo sensore è utilizzata per calcolare, attraverso opportune tabelle o funzioni matematiche, la quantità di aria necessaria per ossidare completamente la quantità di gas che sta passando attraverso il sensore. Tale calcolo può essere effettuato mediante una serie di blocchi funzionali, ad esempio previsti in una scheda con microcontrollore elettronico. Il flusso d'aria necessario per effettuare la completa combustione del combustibile è prodotto da un ventilatore a velocità variabile pilotato direttamente dal controllore elettronico. Un sensore di flusso d'aria in corrispondenza della mandata del ventilatore misura la quantità d'aria effettivamente erogata dal ventilatore e pilota corrispondentemente il controllore in modo da compensare eventuali variazioni di portata. In definitiva, si realizza un sistema di controllo ad anello chiuso relativo all'erogazione dell'aria necessaria alla combustione. Il gas combustibile e l'aria comburente si miscelano in corrispondenza del bruciatore, ove vengono bruciati in presenza del catalizzatore, il quale deve essere preventivamente riscaldato per permettere l'innesco della reazione catalitica.

Un sistema di controllo del tipo descritto funzionerebbe correttamente se le grandezze misurate dal sensore di flusso del gas e dal sensore di flusso d'aria non fossero affette da errore e se la composizione del gas combustibile fosse rigorosamente costante. Ciò non è ovviamente possibile nella realtà. Inoltre, è noto che nelle linee di erogazione del gas vengono spesso introdotte sostanze inerti per assicurare una sufficiente pressione nei periodi di maggiore richiesta. Tali fattori possono facilmente alterare le esatte proporzioni della miscela aria-gas nella camera di combustione, con la conseguente impossibilità di ottenere in modo ottimale una completa ossidazione del gas combustibile e quindi una completa combustione. Una soluzione a questo problema può essere ottenuta impiegando un sensore di ossigeno che provvede a misurare la quantità di ossigeno presente nei gas combusti al fine di verificare che la combustione sia effettivamente completa.

I sistemi sopra descritti garantiscono buoni risultati funzionali, sia per quanto riguarda le emissioni inquinanti (praticamente nulle), sia per quanto riguarda la regolazione della potenza (che è di tipo continuo). Peraltro, questi sistemi sono estremamente complicati, costosi e scarsamente affidabili, per cui non sono generalmente molto diffusi e sono del tutto improponibili nel settore domestico, ad esempio.

Sono pure noti sistemi di controllo per bruciatori di tipo ON-OFF. Sostanzialmente, tali sistemi comprendono un bruciatore atmosferico associato ad un iniettore che eroga il gas combustibile. Il getto di gas che fuoriesce dall'iniettore, in corrispondenza dell'ingresso del bruciatore, aspira per effetto Venturi un'opportuna quantità di aria comburente dall'ambiente circostante. Il gas combustibile e l'aria comburente si miscelano all'interno del corpo del bruciatore e vengono quindi bruciati. Dimensionando opportunamente l'iniettore e l'ingresso del bruciatore è possibile fare in modo che la quantità di aria aspirata per effetto Venturi sia tale da assicurare la completa combustione del combustibile. Ovviamente, tale condizione può verificarsi soltanto con una predeterminata portata fissa di gas combustibile, per cui non è possibile realizzare un controllo continuo della potenza termica erogata dal bruciatore. Pertanto, un controllo della potenza termica del bruciatore si effettua alternando periodi di accensione e di spegnimento del bruciatore, in particolare, variando opportunamente il rapporto fra tempi di accensione e tempi di spegnimento è possibile ottenere la potenza termica media desiderata. Questo tipo di controllo può essere realizzato impiegando un idoneo dispositivo che comanda in modo ON-OFF un'elettrovalvola (o simile) per consentire o meno l'erogazione del gas in funzione della potenza termica media richiesta dall'utente.

Questa soluzione è molto più semplice, economica ed affidabile rispetto ai sistemi di tipo industriale descritti in precedenza, ma la regolazione discontinua della potenza non soddisfa, ad esempio, le esigenze per una cottura ottimale di cibo. L'alternanza dei periodi di accensione e spegnimento induce infatti corrispondenti variazioni di temperatura nel cibo contenuto in una pentola posta sopra il bruciatore. Ad esempio, ciò può tradursi in un effetto di bolliture intermittenti, indesiderate dall'utente .

In tutti i sistemi di controllo per bruciatori catalitici, il riscaldamento del catalizzatore (che è preferibilmente deposto su rete metallica) può essere realizzato in modo indiretto, attraverso una resistenza riscaldante saldata sulla rete e alimentata da un'apposita sorgente. In alternativa, il riscaldamento del catalizzatore può essere ottenuto in modo diretto, facendo passare corrente elettrica direttamente sulla rete metallica. Nel primo caso la resistenza riscaldante può essere alimentata direttamente dalla tensione di rete, ponendo però indesiderati problemi di isolamento della resistenza rispetto alla rete metallica. Nel caso del riscaldamento diretto è invece necessario disporre di un trasformatore a bassa tensione ma altissima corrente (ad esempio 300 A) per riscaldare in tempi brevi la rete catalizzatrice. Un trasformatore di questo tipo risulta indesideratamente complesso, costoso ed ingombrante, tale da non poter essere impiegato in apparecchiature di tipo domestico .

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un sistema di controllo per bruciatore catalitico il quale risulti sostanzialmente semplice, affidabile ed economico, e nel contempo consenta di ottenere una combustione ottimale e una regolazione precisa della potenza termica.

In particolare, è scopo dell'invenzione fornire un sistema di controllo del tipo citato in cui il riscaldamento del catalizzatore sia realizzato in modo particolarmente semplice ed affidabile.

Secondo l'invenzione, tali scopi sono ottenuti in un sistema di controllo per bruciatore catalitico incorporante le caratteristiche delle rivendicazioni allegate.

Le caratteristiche ed i vantaggi dell'invenzione saranno chiariti dalla seguente descrizione, avente solo titolo di esempio non limitativo, con riferimento agli uniti disegni, in cui:

- la figura 1 mostra schematicamente un sistema di controllo per bruciatore catalitico secondo una forma preferita di realizzazione; e

le figure 2 e 3 mostrano schematicamente l'azionamento nel tempo di rispettivi componenti del sistema di figura 1.

Con particolare riferimento alla figura 1, il sistema di controllo comprende principalmente un bruciatore 1 che può essere del tipo a gas tradizionale, dotato di un ingresso 2 atto a ricevere gas combustibile da un iniettore 3. Quest'ultimo è collegato ad un tubo di alimentazione del gas 4 attraverso un'elettrovalvola 5, o simile. L'ingresso 2 del bruciatore e l'iniettore 3 sono disposti e dimensionati in modo tale da garantire che un'opportuna quantità d'aria, atta a consentire la completa combustione del gas, venga aspirata nel bruciatore 1, per effetto Venturi, attraverso l'ingresso 2.

Adiacente al bruciatore 1 è previsto un catalizzatore 10, formato preferibilmente da una rete catalitica.

Un dispositivo di controllo elettronico 6 comprende un'uscita 7 mediante la quale è atto a pilotare la valvola del gas 5 in modo ON-OFF, cioè facendola commutare selettivamente fra una condizione di chiusura e di apertura. Ad esempio, il dispositivo 6 può essere formato da una scheda elettronica con un microcontrollore Motorola 6805, con un primo ingresso 8 (ad esempio di tipo potenz iometrico), un secondo ingresso di pilotaggio 14 ed un'ulteriore uscita 9 di tipo digitale, nonché con una memoria programmata secondo un predeterminato ciclo operativo (di cottura, ad esempio).

All'ingresso 8 del controllo elettronico 6 può essere associata una manopola 11, o simile dispositivo per la regolazione della potenza termica desiderata.

Tra il corpo del bruciatore 1 e la rete catalitica 10 è disposta una coppia di elettrodi 12 pilotati dall'uscita 9 del controllo elettronico 6 attraverso un dispositivo di accensione 13, che può essere del tipo ad alta tensione con trasformatore.

Un sensore di temperatura 15, quale una semplice termocoppia, è atto a misurare la temperatura della rete catalitica 10 e a pilotare corrispondentemente l'ingresso 14 del dispositivo 6. Quest'ultimo è programmato in modo tale da chiudere l'elettrovalvola del gas 5, attraverso l'uscita 7, quando (in una prima fase operativa che sarà meglio descritta in seguito) il sensore 15 rivela una temperatura del catalizzatore 10 superiore di un certo valore A (ad esempio 20°C) rispetto alla temperatura di innesco T della reazione catalitica. Tale temperatura di innesco è predeterminata e dipende dalle caratteristiche del catalizzatore 10, nonché dal tipo di combustibile impiegato. Ad esempio, la temperatura di innesco T sarà di circa 300°C impiegando combustibile GPL ed un catalizzatore a base di lega platino-palladio.

Secondo un altro aspetto dell'invenzione, il dispositivo di controllo elettronico 6 è programmato anche in modo tale da aprire l'elettrovalvola del gas 5, attraverso 'uscita 7, quando (nella suddetta prima fase operativa) il sensore 15 rivela una temperatura del catalizzatore 10 inferiore di un predeterminato valore B (ad esempio 5-10°C) rispetto al valore T+A. In ogni caso, tale valore B sarà inferiore al valore A, per i motivi che saranno chiariti in seguito.

Si fa ora riferimento anche alle figure 2 e 3, che mostrano i tempi di azionamento dell'elettrovalvola 5 e dei dispositivi di accensione 12, 13, rispettivamente.

Un ciclo operativo inizia all'istante to, con il sistema che apre la valvola 5 del gas. Pertanto, il gas emesso dall'iniettore 3 penetra nel corpo del bruciatore 1 miscelandosi con aria aspirata per effetto Venturi attraverso l'ingresso 2. Contemporaneamente, o successivamente, l'uscita 9 del dispositivo 6 attiva il dispositivo di accensione 13 per un periodo di tempo prefissato Ta (rappresentato in figura 3 e pari ad esempio a 2 sec.), per cui tra gli elettrodi 12 si produce una serie di scintille che incendiano la miscela gas-aria fuoriuscente dal bruciatore 1. La fiamma così generata è di tipo tradizionale, cioè non catalitico, e riscalda la rete catalizzatrice 10, che inizialmente si trova ad esempio a temperatura ambiente.

Tramite il sensore 15, il dispositivo di controllo 6 misura la temperatura della rete catalitica 10 e, quando questa raggiunge il suddetto valore T+A, l'uscita 7 determina la chiusura dell'elettrovalvola 5, ed il conseguente spegnimento della fiamma, ad un istante tl. Nell'esempio che si descrive, questa fase iniziale di riscaldamento tO-tl avrà ad esempio una durata di circa 5-10 sec.

Quando (dopo circa 5 sec. dall'istante tl) il sensore 15 rivela che la temperatura della rete catalitica 10 è scesa del suddetto valore B rispetto al valore T+A precedentemente raggiunto, l'uscita 7 del dispositivo 6 determina la riapertura dell'elettrovalvola 5, ad un istante t2. Il periodo di tempo t0-t2 rappresenta la prima fase operativa citata in precedenza.

Da quanto descritto è evidente che la riapertura dell'elettrovalvola 5 all'istante t2 si verifica quando la temperatura T+A-B del catalizzatore 10 è uguale o maggiore della temperatura di innesco T della reazione catalitica. Pertanto, la miscela gas-aria fuoriuscente dal bruciatore 1 si accenderà automaticamente sulla superficie della rete catalitica 10, senza la necessità di azionare il dispositivo di accensione 12, 13. La fiamma catalitica così prodotta raggiungerà ad esempio una temperatura media di circa 600-700°C, cioè un valore al quale le emissioni nocive sono minime.

Dopo la prima fase operativa t0-t2, che è controllata in base alla temperatura della rete catalitica 10, il funzionamento del sistema prosegue in modo programmato, regolare la potenza termica del bruciatore in funzione valore impostato nel dispositivo di controllo 6 tramite la manopola 11. Tale regolazione viene effettuata con un'alternanza di accensioni e di spegnimenti della fiamma catalitica, in modo del tutto analogo a quanto descritto in precedenza. In particolare, durante questa seconda fase programmata t2-tn (figura 2) i tempi di chiusura ed apertura dell'elettrovalvola 5 sono determinati dal dispositivo 6 in modo tale che le accensioni del bruciatore 1 avvengono in forma spontanea, poiché la temperatura della rete catalitica 10 non scende normalmente al di sotto del valore di innesco T.

Di conseguenza, è possibile effettuare un controllo della potenza termica erogata dal bruciatore 1 con una sequenza di accensioni e spegnimenti avente frequenza elevata, riducendo corrispondentemente le fluttuazioni di temperatura e ottenendo una trasmissione di energia termica sostanzialmente continua nel tempo.

Tale vantaggio è particolarmente importante nel settore domestico, ad esempio, ed è ottenuto senza la necessità di ripetuti azionamenti dei dispositivi di accensione 12, 13. L'intero sistema di controllo risulta quindi particolarmente semplice, affidabile e preciso.

Inoltre, le emissioni inquinanti del bruciatore catalitico 1 sono minimizzate poiché la fiamma è sempre prodotta con una miscela gas-aria avente un rapporto stechiometrico ideale .

Ovviamente, il sistema di controllo descritto può subire numerose modifiche rientranti nell'ambito dell 'invenzione .

Come mostrato in figura 2, ad esempio, dopo l'istante t2 il rapporto fra i tempi di accensione e spegnimento può essere variato secondo le esigenze. In particolare, è preferibile prevedere un periodo t2-t3 relativamente lungo per apportare al cibo da cuocere sufficiente energia termica, dopo di che il ciclo di cottura può proseguire fino al termine (th) con un'alternanza di accensioni e spegnimenti sostanzialmente costante.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di controllo per bruciatore catalitico, comprendente un bruciatore associato a mezzi catalizzatori e atto ad essere alimentato con combustibile attraverso una valvola controllata da un dispositivo di controllo elettronico, quest'ultimo essendo atto a pilotare anche mezzi di accensione di fiamma associati al bruciatore, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di controllo (6) è pilotato da mezzi sensori (15) atti a rivelare la temperatura dei mezzi catalizzatori (10), detto dispositivo di controllo (6) essendo atto, durante una prima fase operativa (t0-t2), a chiudere detta valvola (5) quando la temperatura dei mezzi catalizzatori (10) supera di un certo valore (A) una predeterminata temperatura di innesco (T) della reazione catalitica del bruciatore (1,10), nonché atto ad aprire detta valvola (5) quando la temperatura dei mezzi catalizzatori scende di un predeterminato valore (B) rispetto al valore (T A), dove B < A.
2. 2. Sistema di controllo per bruciatore catalitico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di controllo (6) è atto, dopo detta prima fase operativa (t0-t2), a pilotare detta valvola (5) in modo programmato, con una sequenza (t2-tn) di aperture e chiusure alterne tali da mantenere normalmente la temperatura di detti mezzi catalizzatori (10) al di sopra di detto valore di innesco (T).
3. 3. Sistema di controllo per bruciatore catalitico secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di controllo elettronico (6) è atto a variare i tempi di chiusura ed apertura dell'elettrovalvola (5) durante detta sequenza (t2-tn) in modo tale da regolare la potenza termica erogata dal bruciatore catalitico (1) in funzione di un valore impostato mediante mezzi di regolazione (8,11).