ITRE20130059A1

ITRE20130059A1 - Modulo riscaldante ad irraggiamento per forni continui di cottura di prodotti ceramici

Info

Publication number: ITRE20130059A1
Application number: IT000059A
Authority: IT
Inventors: Pierugo Acerbi; Claudio Ricci
Original assignee: Sacmi
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2015-02-03
Also published as: ES2813449T3; EP3027991B1; EP3027991A2; WO2015015263A2; CN105408716A; WO2015015263A3; BR112015029497A2

Description

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DESCRIZIONE

della domanda di brevetto di invenzione industriale dal titolo:

5 “MODULO RISCALDANTE AD IRRAGGIAMENTO PER FORNI CONTINUI DI

COTTURA DI PRODOTTI CERAMICI”

a nome Sacmi Cooperativa Meccanici Imola Società Cooperativa con sede a 40026 Imola (BO)

* * * * *

10 La presente invenzione inerisce ai forni di cottura di prodotti ceramici come piastrelle e lastre sanitari e simili.

In particolare essa inerisce ai forni di tipo continuo che comprendono, all’interno di una struttura conformata a 15 tunnel, un trasportatore a rulli su cui viene fatto avanzare il materiale con moto continuo.

Il forno comprende una serie di mezzi riscaldanti, allineati sulle pareti laterali del tunnel e posti sia sopra che sotto il piano a rulli, per creare all’interno della camera di 20 cottura il desiderato diagramma di cottura.

I mezzi riscaldanti sono generalmente bruciatori del tipo a convezione, a fiamma libera, alimentati con combustibile gassoso e talvolta liquido, che scaldano il materiale principalmente mediante convezione.

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I gas caldi di combustione generati dai bruciatori vengono convogliati controcorrente relativamente alla direzione di avanzamento del materiale.

Al’interno del forno si distinguono delle zone dedicate alle 5 diverse fasi del ciclo di cottura

- una prima zona A detta di preriscaldo, nella quale la temperatura viene portata dai circa 25°C all’ingresso del forno, a circa 350°C; questa zona è percorsa in controcorrente dai gas caldi di combustione generati nelle 10 zone a valle, e può anche essere priva di mezzi riscaldanti;

in prossimità dell’ingresso della zona A è presente un camino che raccoglie e scarica i gas caldi ed i fumi di combustione della zona A, e delle zone B e C poste a valle. - una seconda zona B detta di pre-cottura, comprendente 15 bruciatori, nella quale la temperatura del forno sale da 350°A a circa 1.220°C;

- una terza zona C detta di cottura nella quale sono presenti bruciatori che mantengono la temperatura a circa 1.200°C.

20 A valle della zona C di cottura è presente una quarta zona D, detta zona di raffreddamento,

nella quale la temperatura viene dapprima velocemente portata nell’intorno di 600°C (raffreddamento diretto), e quindi lentamente fino a 450°C circa (raffreddamento 25 indiretto), e infine progressivamente portata a circa 50°C, 38627 IIT

per raffreddare in maniera efficace e controllata il materiale, onde evitare deformazioni e tensioni interne residue.

La zona più critica del forno è la zona C di cottura, nella 5 quale la temperatura massima deve essere mantenuta costante su tutto il fronte di avanzamento del materiale, e l’atmosfera il più possibile omogenea e neutrale, per evitare difetti nel materiale.

La zona C di cottura è determinante ai fini della qualità 10 del prodotto, poiché in questa zona si completano le trasformazioni di fase per la creazione di nuove strutture all'interno del materiale. Se il prodotto è smaltato in superficie, in questa zona le fritte vetrose fondono conferendo alla superficie la vetrosità desiderata.

15 Il controllo della zona di cottura è reso ancora più importante dal diffondersi delle composizioni in gres porcellanato, che oggi rappresentano circa il 70% della produzione mondiale di piastrelle ceramiche.

Il gres porcellanato presenta infatti un elevato ritiro in 20 fase di cottura (6 - 8 % lineare), il che rende ancora più importante il controllo della temperatura di cottura, soprattutto là dove si formano le nuove fasi ceramiche (zona C).

A questo si aggiungano due recenti tendenze del mercato che 25 hanno un impatto diretto sulla tecnica di produzione:

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- l'aumento delle dimensioni delle piastrelle-lastre ceramiche che possono raggiungere oltre 1 metro di lato, con notevole incremento della larghezza del forno e del fronte di avanzamento del materiale, e

5 - la diffusione di lastre a spessore sottile (4 - 5 mm, invece dei tradizionali 8 - 12 mm).

Questi nuovi fattori tendono ad esasperare le condizioni di lavoro del forno continuo a rulli, che quindi necessita miglioramenti nel suo disegno e nel processo di 10 funzionamento.

Sono noti forni a rulli che comprendono, almeno nella zona di cottura, bruciatori detti “ad irraggiamento” che impediscono al prodotto di venire a contatto con i gas di combustione a tutto vantaggio della qualità del prodotto e 15 del controllo della temperatura e dell’atmosfera nella zona di cottura.

Questi bruciatori, detti anche bruciatori auto-recuperanti a tubo radiante sono costituiti da un convenzionale bruciatore accoppiato ad una coppia di tubi coassiali di cui quello 20 esterno cieco, che realizzano il preriscaldo dell'aria di combustione facendola incontrare in contro corrente con i gas combusti.

Si tratta tuttavia di dispositivi costosi e complessi, che richiedono accurato montaggio e manutenzione, e che per la 25 particolare configurazione dei due tubi coassiali inducono 38627 IIT

elevate perdite di carico che si traducono in un elevato consumo energetico per i ventilatori.

La presente invenzione ha lo scopo di ottenere una sostanziale uniformità della temperatura di cottura 5 sull'intera larghezza del forno (fronte di avanzamento del materiale) senza contatto tra i fumi e l'atmosfera della camera di cottura, a tutto vantaggio anche delle qualità superficiali del prodotto finito, con brillantezza e compattezza della superficie superiori alla media e assenza 10 di difetti, il tutto nell’ambito di una soluzione semplice ed economica ad elevata efficienza energetica.

Questo scopo è conseguito da un dispositivo avente le caratteristiche elencate nella rivendicazione indipendente. Le rivendicazioni dipendenti ineriscono ad ulteriori 15 vantaggiose caratteristiche dell’invenzione, atte a migliorarne il risultato.

L’invenzione comprende un modulo di riscaldamento ad irraggiamento di una porzione di forno a tunnel, nel quale almeno una coppia di tubi radianti in materiale resistente 20 al calore come il carburo di silicio cristallizzato è percorsa dai fumi di combustione.

I due tubi sono paralleli tra di loro, e possono essere posti sullo stesso lato del trasportatore a rulli, o anche su lati contrapposti, cioè uno sopra ed uno sotto il 25 trasportatore.

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Ognuno dei due tubi radianti comprende ad una estremità un bruciatore tradizionale ed alla estremità opposta uno scambiatore di calore.

I due tubi radianti sono posti affiancati, trasversalmente 5 al tunnel e paralleli ai rulli di trasporto delle piastrelle alla stessa distanza dai medesimi.

Essi possono anche essere posti uno sopra ed uno sotto il piano a rulli.

I due tubi radianti di una coppia sono reciprocamente 10 orientati in guisa che, sullo stesso lato del tunnel, alla estremità del tubo della stessa coppia di tubi comprendente il bruciatore corrisponda la estremità dell’altro tubo della stessa coppia di tubi comprendente lo scambiatore.

L’aria di combustione del bruciatore di un tubo della stessa 15 coppia di tubi viene riscaldata passando attraverso lo scambiatore posto alla estremità dell’altro tubo della stessa coppia di tubi.

I gas caldi di scarico in uscita da ognuno degli scambiatori vengono inviati ad riscaldare altre zone del forno, per non 20 disperderne il calore.

I gas caldi di scarico vengono preferibilmente inviati a scaldare la zona di precottura.

L’aria di combustione viene riscaldata fino a circa 500 °C nello scambiatore di calore, con

25 conseguente recupero energetico.

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I fumi escono dallo scambiatore a circa 800°C e preferibilmente reinseriti nella zona B del forno (precottura) regolata tra gli 800°C e i 900°C.

Il modulo di riscaldamento secondo l’invenzione può 5 comprendere anche più coppie di tubi radianti, dove in ogni coppia i tubi sono disposti come sopra detto.

Secondo una diversa modalità di attuazione dell’invenzione, ogni coppia di tubi radianti può essere sostituita da un singolo tubo radiante conformato a “U” alle estremità 10 affiancate dei due lati paralleli del quale sono posti il bruciatore e rispettivamente lo scambiatore di calore.

I singoli tubi radianti ripiegati a “U” possono essere orientati tutti nello stesso modo, con i le coppie di bruciatori e gli scambiatori sulla stessa parete del forno, 15 oppure alternati in senso contrapposto, con le coppie di bruciatori e scambiatori poste alternativamente sulle opposte pareti laterali del forno.

Ognuno dei moduli riscaldanti, od un gruppo di essi, può essere direttamente montato sulle pareti laterali del forno 20 a tunnel, o comprendere due porzioni contrapposte delle pareti laterali del forno, per realizzare un elemento o modulo prefabbricato atto al montaggio del forno nel sito di impiego.

Le caratteristiche costruttive e funzionali della invenzione 25 appariranno chiare dalla particolareggiata descrizione che 38627 IIT

segue, che con l’aiuto delle allegate tavole disegni ne illustra a titolo di esempio non limitativo diverse preferite forme di attuazione.

La Fig.1 mostra schematicamente in sezione verticale 5 longitudinale il forno a tunnel secondo il trovato.

La Fig. 1A mostra il diagramma delle temperature dello stesso.

La Fig. 1B mostra il diagramma delle pressioni dello stesso. La Fig.2 mostra in prospettiva il modulo secondo il trovato.

10 La Fig.3 mostra la sezione della Fig.2 presa sull’asse dei tubi.

La Fig.4 mostra in prospettiva sezionata lo scambiatore di calore secondo il trovato.

La Fig.5 mostra schematicamente l’oggetto di Fig.2.

15 La Fig.6 mostra schematicamente la disposizione di più moduli di Fig.5.

La Fig.7 mostra una variante di fig.6.

La Fig.8 mostra schematicamente una diversa forma di attuazione del modulo.

20 La fig.9 mostra schematicamente una ulteriore forma di attuazione del modulo.

La Fig.10 mostra una ulteriore variante della disposizione del modulo di Fig.5.

Dalle figure si rileva un forno 1 secondo il trovato, 25 conformato a tunnel, comprendente il piano a rulli 10 su cui 38627 IIT

viene fatto avanzare il materiale, sopra e sotto il quale sono posti i generatori di calore

Il forno, in senso longitudinale, comprende quattro zone distinte e precisamente una zona A di preriscaldo, una zona 5 B di precottura, una zona C di cottura ed una zona D di raffreddamento controllato.

Il diagramma delle temperature in dette zone è illustrato in Fig.1A, mentre quello delle pressioni è illustrato in Fig.1B.

10 I generatori di calore presenti nelle zone A e B sono bruciatori 101 a fiamma libera, a convezione, mentre nella zona di cottura C gli elementi riscaldanti sono costituiti dai moduli 102 a irraggiamento secondo il trovato.

La zona C è delimitata all’interno del tunnel da due setti 15 di separazione 51 e 52 che contribuiscono ad isolarla per quanto possibile dalle zone B e D adiacenti.

Il forno comprende due camini, all’ingresso ed all’uscita del materiale, coadiuvati da ventole per scaricare i gas della zona di cottura e della zona di raffreddamento 20 rispettivamente

Con riferimento alla Fig.2 ogni modulo 102 comprende un primo tubo radiante 21 ed un secondo tubo radiante 22, entrambi realizzati in carburo di silicio o altro equivalente materiale.

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I due tubi 21 e 22 sono paralleli tra di loro, posti sullo stesso lato del piano a rulli 10 ed equidistanti dallo stesso.

I due tubi 21 e 22 sono entrambi sostenuti tra le pareti 5 laterali 11 e 12 del forno a tunnel, o di un elemento modulare del medesimo. attraverso le quali escono all’esterno.

Ognuno dei due tubi 21 e 22 comprende alle estremità un bruciatore 3 a fiamma libera ed uno scambiatore di calore 4 10 alimentato dai fumi del bruciatore 3.

Le estremità dei due tubi 21 e 22 che escono dalla stessa parete laterale del forno, ad esempio la parete 11, comprendono rispettivamente il bruciatore 3 a fiamma libera, ed lo scambiatore di calore 4.

15 Lo scambiatore 4 comprende (Fig.4) un fascio tubiero 41, percorso dai gas di combustione, che sfocia in un collettore 42 di scarico collegato ad altra parte del forno.

Lo scambiatore 4 comprende anche un ingresso 43 dell’aria fresca, ed una uscita 44 dell’aria riscaldata dallo 20 scambiatore.

L’uscita 44 è collegata al bruciatore 3 del tubo adiacente per alimentare allo stesso l’aria comburente.

Grazie alla suddetta disposizione, i tubi radianti 21 e 22, percorsi dai gas di combustione.

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raggiungono una temperatura superiore ai 1.200-1.250 °C, che mantengono la sezione del forno alla corretta temperatura di cottura, in atmosfera tranquilla e esente da fumi di combustione.

5 Il combustibile perviene ai bruciatori 3 mediante i condotti 45.

Anche nel caso in cui la larghezza del forno sia prossima ai 3.000 mm, la temperatura risulta praticamente costante in tutta la larghezza, con una differenza massima tra un punto 10 e l’altro del fronte di avanzamento pari a 4 – 6 °C.

Il modulo illustrato nelle Fig. da 2 a 4 è schematicamente illustrato in Fig.5 dove gli stessi componenti sono indicati dagli stessi riferimenti numerici.

La Fig.6 illustra un modulo riscaldante avente tre coppie di 15 tubi radianti, i cui componenti sono distinti dagli stessi riferimenti numerici di Fig.5.

La Fig.7 rappresenta una variante di Fig.6, che si commenta da se.

La Fig.8 illustra una diversa configurazione dei tubi 20 radianti, che rappresenta una semplificazione degli schemi precedenti.

Essa prevede di utilizzare, invece di una coppia di tubi radianti, un unico tubo radiante 212 conformato a U, i cui lati paralleli fanno le veci del primo tubo 21 e del secondo 25 tubo 22 della coppia di tubi radiante sopra descritta.

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Questa configurazione permette di avere ingresso e uscita dei fumi dallo stesso lato del forno per ogni tubo, e tutti i bruciatori 3 e tutti gli scambiatori 4 posti sulla stessa parete del forno.

5 Ciò consente una notevole semplificazione impiantistica (bruciatori e scambiatori da un solo lato del forno) a fronte di maggiori perdite di carico all'interno del tubo radiante.

Questa configurazione ha il beneficio di un migliore scambio 10 termico, e risulta adatta anche per le zone del forno a temperatura più bassa (zona B pre-cottura).

Anche in questa figura gli stessi componenti sono indicati dagli stessi riferimenti numerici.

La Fig.9 illustra una diversa distribuzione degli stessi 15 tubi di Figura 8, con bruciatori e scambiatori da entrambi i lati del forno.

Ciò consente di conseguire una migliore distribuzione della temperatura nella zona di cottura. Anche in questa figura gli stessi componenti sono indicati dagli stessi riferimenti 20 numerici.

Vista la minore densità di bruciatori per unità di lunghezza del forno, rispetto alla Figura 5 (densità di potenza termica dimezzata), le soluzioni di Figura 8 e 9 sono indicate per forni con carichi termici inferiori.

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Da ultimo la Fig.10 illustra una disposizione della coppia di tubi radianti 21 e 22 di ogni modulo nella quale un tubo è posto sopra al piano dei rulli, mentre l’altro tubo della coppia è posto sotto, al contrario delle figure precedenti 5 che ipotizzano la disposizione della coppia di tubi radianti di ogni modulo in un piano parallelo al piano dei rulli di trasporto del materiale in cottura, con la replica di tale disposizione anche per i bruciatori al di sotto dei piano rulli.

10 Anche in Fig.10 gli stessi componenti sono indicati dagli stessi riferimenti numerici.

I vantaggi conseguiti dalla invenzione sono molteplici.

Innanzitutto si consegue una maggiore uniformità della temperatura sull’intera larghezza del forno, grazie al 15 trasferimento del calore per solo irraggiamento, permettendo l’ottenimento di prodotti a bassa distorsione dimensionale (ritiro differenziale).

Inoltre non si verifica alcun contatto tra i fumi e l’atmosfera della camera di cottura, che rimane calma, 20 permettendo ottime qualità superficiali del prodotto finito, con brillantezza e compattezza della superficie superiori alla media e assenza di difetti.

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Un notevole recupero energetico è conseguito dall’efficiente preriscaldo dell’aria di combustione (fino a 500 °C) grazie allo scambiatore di calore.

L’utilizzo del contenuto calorico residuo dei fumi di 5 combustione provenienti dalla pluralità degli scambiatori è assicurato dal reinserimento di detti fumi nella zona del forno regolata tra gli 800°C e i 900°C.

Evitando il contatto dei fumi con l’ambiente di cottura nella zona più critica si possono utilizzare combustibili 10 più economici (frazioni oleose pesanti e polverino di carbone) senza inficiare la qualità del prodotto ceramico in uscita dal forno.

Le ridotte perdite di carico rese possibili dal sistema di tubi radianti - scambiatori, in confronto con altre 15 soluzioni note con tubi radianti coassiali, aumentano la efficienza complessiva del sistema, richiedendo minor potenza elettrica consumata dai ventilatori di insufflaggio dell’aria di combustione, a confronto con dispositivi noti equivalenti (tubi radianti coassiali).

20 Il sistema inoltre è più affidabile.

Da ultimo l’aria preriscaldata, proveniente dal raffreddamento indiretto, viene destinata solamente ai bruciatori di pre-riscaldo e pre-cottura, e non a quelli 38627 IIT

innovativi di cottura, consentendo un maggior apporto calorico su ogni singolo bruciatore.

Si intende che l’invenzione non è limitata alle modalità di attuazione sopra descritte, e che varianti e perfezionamenti 5 potranno essere apportati alla invenzione senza uscire dall’ambito di protezione delle seguenti rivendicazioni.

Claims

38627 IIT RIVENDICAZIONI 1. Modulo riscaldante ad irraggiamento per forno a tunnel per la cottura a ciclo continuo di prodotti ceramici come piastrelle, lastre, laterizi, sanitari e simili, che 5 avanzano su una rulliera posta all’interno del tunnel, nel quale i mezzi riscaldanti sono di tipo radiante, caratterizzato dal comprendere almeno una coppia di tubi radianti paralleli ognuno comprendente ad una estremità un bruciatore a fiamma libera i cui gas di combustione 10 percorrono il tubo, ed alla estremità opposta uno scambiatore di calore attraversato da detti gas di combustione, i due tubi radianti essendo reciprocamente orientati in senso contrario in guisa che la estremità del tubo di ogni coppia comprendente il bruciatore sia adiacente 15 alla estremità dell’altro tubo della stessa coppia comprendente lo scambiatore, il condotto dell’aria comburente del bruciatore di un tubo comprendendo lo scambiatore adiacente posto alla estremità dell’altro tubo.
2. Modulo riscaldante secondo la riv.1 caratterizzato dal 20 comprendere due porzioni contrapposte delle pareti laterali del forno a tunnel, tra le quali sono posti i due tubi radianti di ogni coppia di tubi radianti, ed all’esterno delle quali sono posti il bruciatore e rispettivamente lo scambiatore di calore. 38627 IIT
3. Modulo riscaldante secondo la riv.1 caratterizzato dal fatto che i due tubi radianti paralleli giacciono su un piano parallelo alla rulliera posta all’interno del tunnel.
4. Modulo riscaldante secondo la riv.1 caratterizzato dal 5 fatto che i due tubi radianti paralleli giacciono su un piano che attraversa la rulliera posta all’interno del tunnel, in guisa che uno dei tubi della coppia sia posto da una parte della rulliera e l’altro tubo della coppia sia posto sull’altra parte della rulliera. 10
5. Forno a tunnel per la cottura a ciclo continuo di prodotti ceramici come piastrelle, lastre, laterizi, sanitari e simili, che avanzano su una rulliera posta all’interno del tunnel, nel quale il tunnel comprende almeno una zona di pre-cottura nella quale la temperatura è 15 compresa tra circa 350 °C e circa 1.200 °C, seguita da una zona di cottura nella quale la temperatura deve essere mantenuta a circa 1.200 °C, caratterizzato per il fatto che la zona di cottura comprende almeno una coppia di tubi radianti paralleli sostenuti dalle pareti laterali del 20 tunnel, ogni tubo comprendendo all’esterno delle pareti laterali del tunnel ad una estremità un bruciatore a fiamma libera i cui gas di combustione percorrono il tubo, ed alla estremità opposta uno scambiatore di calore attraversato da detti gas di combustione, i due tubi radianti di ogni coppia 25 di tubi essendo reciprocamente orientati in senso contrario 38627 IIT in guisa che la estremità del tubo comprendente il bruciatore sia adiacente alla estremità dell’altro tubo comprendente lo scambiatore, il condotto dell’aria comburente del bruciatore di un tubo comprendendo lo 5 scambiatore adiacente posto alla estremità dell’altro tubo.
6. Forno secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che lo scambiatore comprende un condotto di uscita dei gas combusti che è collegato alla zona di pre-cottura del forno.