ITTO20120974A1 - Scambiatore di calore di tipo rigenerativo per un forno da vetro - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“SCAMBIATORE DI CALORE DI TIPO RIGENERATIVO PER UN FORNO DA VETROâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad uno scambiatore di calore di tipo rigenerativo per un forno da vetro.

Com’à ̈ noto, i forni da vetro in continuo lavorano con temperature dell’ordine di 1500-1600 °C e sono provvisti di scambiatori di calore per pre-riscaldare l’aria comburente tramite il calore posseduto dai fumi in uscita dalla camera di combustione del forno.

Normalmente, per pre-riscaldare l’aria comburente a temperature di circa 1200-1300 °C si utilizzano scambiatori di calore di tipo rigenerativo, i quali comprendono almeno una coppia di camere di rigenerazione realizzate in materiale refrattario ed aventi rispettive bocche superiori che comunicano con la camera di combustione del forno tramite cosiddetti torrini.

Tali forni sono denominati anche come “forni a camere†. Se le due camere in materiale refrattario sono disposte posteriormente, il forno viene denominato “endport†o “forno con fiamma ad U†; se più camere sono disposte sui lati del forno, quest’ultimo viene denominato “sideport†.

Per quanto riguarda il funzionamento, il flusso di aria comburente da un ingresso dello scambiatore passa in una delle camere di rigenerazione ed infine entra nella camera di combustione del forno; nel contempo, i fumi escono dalla camera di combustione, passano nell’altra camera di rigenerazione, dove cedono calore, ed escono da un’uscita dello scambiatore. Un sistema di valvole à ̈ previsto per invertire il flusso di aria comburente ed il flusso di fumi tra le due camere di rigenerazione con cicli di durata determinata (tipicamente di circa 20 minuti), per cui il calore accumulato nella camera di rigenerazione dove fluiscono i fumi viene ceduta all’aria comburente che transita durante il ciclo successivo.

È sempre più sentita l’esigenza di abbassare le emissioni inquinanti dei fumi, in particolare gli ossidi di azoto, caratteristici in combustioni ad alta temperatura come nel caso del vetro. A tale scopo, si può puntare a creare, in camera di combustione, condizioni riducenti, facendo ricircolare una parte dei fumi uscenti dallo scambiatore e miscelando tale parte di fumi con aria comburente oppure direttamente con ossigeno, ad esempio come suggerito nel brevetto US6126440.

Oltre a questo primo vantaggio, ossia ridurre gli ossidi di azoto durante la combustione, il ricircolo dei fumi può avere un secondo vantaggio: infatti, introducendo molecole come H2O e CO2 nell’aria comburente, quest’ultima assume una maggiore capacità di scambio termico per irraggiamento, per cui tende a riscaldarsi maggiormente nelle camere di rigenerazione rispetto a soluzioni in cui à ̈ assente il ricircolo fumi, a parità di altre condizioni operative.

È sentita l’esigenza di perfezionare le soluzioni note in modo da favorire il primo o il secondo dei vantaggi indicati sopra durante la progettazione e/o l’installazione dello scambiatore, cambiando il minor numero possibile di impostazioni e/o di componenti, e preferibilmente anche durante il funzionamento dello scambiatore.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare uno scambiatore di calore di tipo rigenerativo per un forno da vetro, il quale consenta di assolvere in maniera semplice ed economica all’esigenza sopra esposta.

Secondo la presente invenzione viene realizzato uno scambiatore di calore di tipo rigenerativo per un forno da vetro come definito nella rivendicazione 1.

L'invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

- la figura 1 illustra, in pianta ed in modo schematico, una preferita forma di attuazione dello scambiatore di calore di tipo rigenerativo per un forno da vetro secondo la presente invenzione;

- la figura 2 illustra schematicamente un particolare della figura 1, in scala leggermente ingrandita;

- la figura 3 Ã ̈ una sezione secondo la linea III-III di figura 2, in scala ridotta;

- le figure 4 e 5 sono analoghe rispettivamente alle figure 2 e 3 ed illustrano una variante dello scambiatore di figura 1;

- la figura 6 illustra, in modo semplificato, una simulazione fluidodinamica nello scambiatore di figura 1; e

- la figura 7 mostra, con maggiore dettaglio, un ulteriore particolare della figura 1.

In figura 1, il numero di riferimento 1 indica uno scambiatore di calore (schematicamente illustrato) per un forno da vetro 2 (parzialmente illustrato), avente una camera di combustione 3 alimentata con gas combustibile oppure olio combustibile in modo noto non descritto in dettaglio.

Lo scambiatore 1, in uso, riscalda una miscela comburente, la quale, secondo l’invenzione, comprende ossigeno ed una parte dei fumi prodotti nella camera di combustione 3, come meglio verrà spiegato nel seguito.

L’ossigeno à ̈ contenuto in un flusso d’aria 8 proveniente dall’ambiente esterno tramite la spinta di un ventilatore non illustrato. Secondo una prima forma di attuazione, il flusso d’aria 8 entra nello scambiatore 1 direttamente dall’ambiente esterno, ad esempio ad una temperatura di circa 25 °C. In una seconda forma di attuazione, il flusso d’aria 8 entra nello scambiatore 1 dopo essere stato pre-riscaldato da uno scambiatore di calore di tipo recuperativo (non illustrato).

Nello scambiatore 1, il calore per riscaldare la miscela comburente viene ovviamente ceduto dai fumi che escono dalla camera di combustione 3. Lo scambiatore 1 Ã ̈ di tipo rigenerativo e comprende:

- due camere 10 di rigenerazione definite da pareti laterali in materiale refrattario; in particolare, le camere 10 sono delimitate frontalmente da rispettive pareti 11 verticali provviste, in alto, di rispettive aperture 12, che comunicano con la camera di combustione 3 tramite rispettivi torrini 13, realizzati anch’essi in materiale refrattario (uno solo dei quali à ̈ illustrato);

- un’uscita 14, la quale à ̈ collegata alla zona inferiore delle camere 10 tramite rispettivi condotti 15 separati e comunica selettivamente con le camere 10 per fare defluire un flusso di fumi 5;

- un ingresso 16, il quale à ̈ collegato ad entrambi i condotti 15 tramite rispettive tubazioni 17 separate e comunica selettivamente con le camere 10 per convogliare il flusso d’aria 8; e

- un insieme di valvole di inversione 19a,19b (schematicamente illustrate), le quali sono disposte nelle tubazioni 17 e, rispettivamente, nei condotti 15 (in posizione intermedia tra l’uscita 14 e il raccordo delle tubazioni 17 con i condotti 15).

Le valvole 19a,19b sono comandate da una centralina 20 di controllo e comando (schematicamente illustrata) in modo automatico, secondo una logica non descritta in dettaglio, per essere commutate in maniera sincronizzata tra loro ed invertire il flusso d’aria 8 ed il flusso di fumi 5 tra le camere 10 con cicli di durata determinata (ad esempio, di 20 minuti). In altre parole, in un qualsiasi dato ciclo, una delle camere 10 opera come alimentazione della miscela comburente e l’altra camera 10 opera come scarico dei fumi, per poi invertire la loro funzione ad ogni ciclo.

Le valvole 19b dei condotti 15 sono ad esempio del tipo a saracinesca e, quando sono in una posizione di chiusura, sono a contatto con i fumi, da un lato, e con aria, dall’altro lato.

Con riferimento alle figure 2 e 3, ciascuna camera 10 comprende una zona 21 intermedia, la quale alloggia un fascio di elementi 22 di accumulo termico, denominati “impilaggi†, di tipo noto e non descritto in dettaglio, i quali accumulano calore durante il ciclo in cui la loro camera 10 à ̈ attraversata dai fumi, e durante il ciclo successivo cedono il calore accumulato alla miscela comburente che fluisce in tale camera 10 in senso opposto prima di entrare nella camera di combustione 3.

Le zone inferiori delle camere 10 sono indicate dal numero di riferimento 30, sono realizzate in una base 31 dello scambiatore 1 e mettono in comunicazione le zone 21 intermedie con i condotti 15.

Secondo la presente invenzione, lo scambiatore 1 comprende un dispositivo 32 di ricircolo, il quale à ̈ configurato in modo da spillare una parte dei fumi dalla zona 30 della camera 10 operante come scarico dei fumi ed immettere la parte di fumi spillata nel flusso d’aria 8 che entra nella zona 30 dell’altra camera 10. Pertanto, il dispositivo 32 comprende, per ciascuna camera 10, almeno una bocca 35 alloggiata nella zona 30 in modo da prelevare/immettere i fumi di ricircolo. Le bocche 35 sono rivolte sostanzialmente verso l’alto e definiscono una direzione di ingresso/uscita per i fumi: preferibilmente tale direzione à ̈ verticale, ma potrebbe eventualmente essere leggermente inclinata in modo da generare moti vorticosi nella miscela comburente tramite l’immissione dei fumi di ricircolo.

Nella forma di attuazione delle figure 2 e 3, il dispositivo 32 comprende una singola bocca 35 per ciascuna delle due camere 10. La sagoma, la posizione orizzontale (in particolare lungo direzioni 36 orizzontali ortogonali alle pareti 11) e l’inclinazione delle bocche 35 possono essere agevolmente impostate in fase di progetto e/o durante la prima installazione dello scambiatore 1, in funzione del risultato che si desidera privilegiare.

In particolare, se si desidera favorire un miglioramento nello scambio termico tra la miscela comburente e gli elementi 22, à ̈ opportuno miscelare i fumi di ricircolo al flusso d’aria 8 in modo omogeneo, ad esempio disponendo le bocche 35 (quelle indicate in linea tratteggiata) approssimativamente al centro delle zone 30 (se viste in pianta). Infatti, in questo modo attorno a tutti gli elementi 22 si ottiene una atmosfera con migliore capacità di irraggiamento termico, grazie alla presenza delle molecole dei fumi di ricircolo.

D’altra parte, se si desidera favorire una maggiore riduzione di ossidi di azoto nella camera di combustione 3 à ̈ opportuno disporre le bocche 35 in prossimità delle pareti 11. Nel contempo, à ̈ preferibile che le bocche 35 abbiano una sagoma allungata parallelamente alle pareti 11. In questo modo, infatti, i fumi di ricircolo tendono a restare adiacenti alla parete 11 e quindi a formare una porzione 38 di miscela comburente (fig. 6) dove i fumi hanno una maggiore concentrazione e quindi l’ossigeno ha una minore concentrazione. Come visibile nella simulazione di figura 6, la porzione 38 di miscela comburente fluisce verso la camera di combustione 3 mantenendo una concentrazione maggiore nella parte bassa del relativo torrino 13: in questo modo, nella camera di combustione 3 la prima parte della fiamma si sviluppa in un atmosfera più povera di ossigeno, rispetto all’atmosfera disponibile per la seconda parte della fiamma, garantendo così uno sviluppo più graduale della combustione e dell’energia rilasciata, e quindi riducendo i picchi di temperatura. La riduzione dei picchi di temperatura localizzati consente, com’à ̈ noto, di ridurre in modo efficace la produzione di ossidi di azoto nella combustione.

Ancora con riferimento alle figure 2 e 3, ciascuna bocca 35 definisce l’estremità di una tubazione 39, la quale attraversa una delle pareti laterali della base 31 per uscire dalle camere 11 nell’ambiente esterno. Preferibilmente, le tubazioni 39 si estendono attraverso le pareti 11 lungo le direzioni 36. Preferibilmente, sono previsti opportuni accorgimenti (non illustrati) per garantire la tenuta tra le tubazioni 39 e le pareti 11.

Secondo varianti non illustrate, la posizione orizzontale e/o l’angolazione delle bocche 35 possono essere regolate anche dopo la prima installazione, per variare le condizioni di funzionamento dello scambiatore 1. Ad esempio, le tubazioni 39 potrebbero essere di tipo allungabile o telescopico per variare la distanza delle bocche 35 dalle pareti 11.

Con riferimento alle figure 1 e 7, il dispositivo 32 comprende, inoltre, un impianto 40 pneumatico che mette in comunicazione le tubazioni 39 e fa fluire i fumi di ricircolo in un senso o nell’altro sotto il comando della centralina 20 in modo sincronizzato con le valvole 19a,19b. Progettando lo scambiatore 1 in modo da avere, nella base 31, fumi ad una temperatura di circa 400-550 °C, à ̈ possibile trasportare tali fumi in condotti ceramici oppure condotti metallici coibentati. L’impianto 40 à ̈ all’esterno delle camere 11 e comprende un meccanismo 41 di estrazione e spinta, ad esempio un ventilatore o un eiettore, per superare la differenza di pressione tra la camera 10 operante come scarico e la camera 10 adiacente dove entra il flusso d’aria 8. Nel caso in cui il meccanismo 41 sia definito da un eiettore, quest’ultimo può essere fatto funzionare tramite iniezione di aria prelevata dal flusso d’aria 8.

Nel caso in cui il meccanismo 41 sia definito da un ventilatore, quest’ultimo opera preferibilmente in modo continuo e senza inversioni della direzione di mandata. Nel contempo, l’impianto 40 comprende una valvola 42 a quattro vie e due posizioni comandata dalla centralina 20 per invertire la direzione dei fumi di ricircolo nelle tubazioni 39 in modo sincronizzato con le valvole 19a,19b. Due delle vie della valvola 42 sono collegate rispettivamente alle tubazioni 39, e le altre due vie sono collegate rispettivamente all’aspirazione ed alla mandata del ventilatore.

Secondo una variante non illustrata, l’impianto 40 comprende un sistema di regolazione per variare la portata dei fumi di ricircolo. Ad esempio, tale sistema di regolazione à ̈ definito da una regolazione della velocità del ventilatore 41 oppure da valvole di parzializzazione non illustrate (ad esempio da una singola valvola di parzializzazione disposta tra la mandata del ventilatore 41 e la valvola 42).

Le figure 4 e 5 mostrano una ulteriore variante, i cui componenti sono indicati ove possibile dai medesimi numeri di riferimento delle figure 2 e 3.

Per ciascuna camera 10, il dispositivo 32 comprende una coppia di bocche 35a,35b diverse tra loro per posizione. Le bocche 35a,35b possono essere diverse tra loro anche per angolazione e/o forma. In ciascuna camera 10, tramite opportune valvole 44 à ̈ possibile selezionare la bocca 35a oppure la bocca 35b per il prelievo e l’immissione dei fumi di ricircolo.

Per il prelievo dei fumi à ̈ preferibile utilizzare solo la bocca 35b, che à ̈ disposta sostanzialmente nell’area centrale della zona 30, ossia nell’area dove le temperature sono più elevate. Nel contempo, per l’immissione dei fumi di ricircolo, à ̈ possibile utilizzare la bocca 35a o 35b per favorire una maggiore riduzione di ossidi di azoto nella combustione oppure un maggiore scambio termico radiativo nelle zone 21 delle camere 10. Se la scelta per l’immissione dei fumi di ricircolo cade fin dall’inizio sulla bocca 35a e non necessita di essere cambiata, le valvole 44 possono essere semplici valvole di non ritorno; altrimenti le valvole 44 sono valvole di intercettazione comandate, ad esempio di tipo on-off.

Convenientemente, le valvole 44 non sono solamente di tipo on-off, ma hanno anche una funzione di parzializzazione della portata, variando il proprio grado di apertura, in risposta a comandi inviati dalla centralina 20 o impostati manualmente da un utente, ad esempio tramite una interfaccia utente. In questo modo, da un lato, à ̈ possibile regolare la portata di fumi di ricircolo e, dall’altro lato, per l’immissione dei fumi di ricircolo à ̈ possibile eventualmente dividere tale portata tra le bocche 35a e 35b con proporzione desiderata.

Da quanto precede appare evidente che il posizionamento delle bocche 35,35a,35b nella base 31 consente di avere un margine di libertà relativamente ampio nella scelta della forma, della posizione e della angolazione delle bocche stesse, al fine di ottimizzare il funzionamento dello scambiatore 1 in base alle esigenze, in particolare privilegiare una maggiore riduzione degli ossidi di azoto o un maggior scambio termico.

Inoltre, Ã ̈ possibile adottare anche soluzioni relativamente complesse per regolare le condizioni operative durante la prima installazione o addirittura durante il funzionamento dello scambiatore 1.

Se ad esempio si desidera favorire lo scambio termico per irraggiamento nelle camere 10, à ̈ possibile anche ampliare la sezione di passaggio tra gli elementi 22, ottenendo così l’ulteriore vantaggio di ridurre il numero degli elementi 22, ridurre il peso dello scambiatore 1 e ridurre il fenomeno di sporcamento durante lo scarico dei fumi, essendo tale fenomeno correlato direttamente alle ridotte sezioni di passaggio.

In ogni caso, con qualsiasi impostazione data alle bocche 35, lo scambiatore 1 riesce a ridurre l’inquinamento dei fumi da ossidi di azoto rispetto alle soluzioni note prive di ricircolo fumi.

Da quanto precede appare, infine, evidente che allo scambiatore 1 descritto possono essere apportate modifiche e varianti che non esulano dal campo di protezione della presente invenzione, come definita dalle rivendicazioni allegate.

In particolare, la forma, le dimensioni e la posizione dei torrini 13 e/o degli elementi 22 possono essere variate rispetto a quelle standard in funzione della impostazione fatta per le bocche 35, al fine di migliorare ulteriormente le condizioni di flusso desiderate per i fumi di ricircolo.

Inoltre, le caratteristiche geometriche e di posizione delle bocche 35,35a,35b potrebbero essere diverse da quelle indicate nei disegni allegati a titolo di esempio.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1.- Scambiatore di calore di tipo rigenerativo per un forno da vetro, lo scambiatore di calore essendo atto a pre-riscaldare una miscela comburente tramite calore di fumi prodotti in una camera di combustione (3) del detto forno da vetro (2) e comprendendo: - almeno due camere di rigenerazione (10), ciascuna delimitata da una parete laterale avente una parete verticale (11) provvista di una apertura superiore (12) atta a comunicare con detta camera di combustione (3); - mezzi valvolari di inversione (19a,19b) comandati in modo da invertire un flusso d’aria (8) ed un flusso di fumi (5) tra le dette camere di rigenerazione (11) con cicli di durata determinata; - mezzi di ricircolo (32) per fare ricircolare una parte dei fumi e miscelarli con detto flusso d’aria (8) per formare la miscela comburente; caratterizzato dal fatto che detti mezzi di ricircolo (32) comprendono, per ciascuna detta camera di rigenerazione (10), una prima bocca (35) per l’ingresso/uscita fumi; detta prima bocca (35) essendo disposta in una zona inferiore (30) della detta camera di rigenerazione (10). 2.- Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di regolazione per variare la posizione e/o una angolazione delle dette prime bocche (35) durante l’installazione del detto scambiatore (1). 3.- Scambiatore secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che dette prime bocche sono disposte in una area sostanzialmente centrale delle dette zone inferiori (30), viste in pianta. 4.- Scambiatore secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che dette prime bocche (35) sono aperte verso l’alto e sono disposte in una posizione che à ̈ distanziata da un’area centrale delle dette zone inferiori (30), viste in pianta, ed à ̈ adiacente a dette pareti verticali (11). 5.- Scambiatore secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che dette prime bocche (35) hanno forma allungata parallelamente a dette pareti verticali (11). 6.- Scambiatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di ricircolo (32) comprendono, per ciascuna detta camera di rigenerazione (10): - una seconda bocca (35b) disposta in posizione diversa da quella della detta prima bocca (35a) nella zona inferiore (30) della detta camera di rigenerazione (10); - mezzi valvolari (44) per variare il flusso di fumi di ricircolo in ingresso e/o in uscita tra detta prima bocca e detta seconda bocca (35a,35b). 7.- Scambiatore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che dette prime bocche (35a) sono rivolte verso l’alto e sono adiacenti alle dette pareti verticali (11); dette seconde bocche (35b) sono disposte in una area sostanzialmente centrale nelle dette zone inferiori (30), viste in pianta; e detti mezzi valvolari (44) sono configurati in modo da prelevare fumi da dette seconde bocche (35b) ed alimentare i fumi di ricircolo attraverso dette prime bocche (35a). 8.- Scambiatore secondo la rivendicazione 6 o 7, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di comando, i quali comandano detti mezzi valvolari (44) per selezionare quali di dette prime e seconde bocche (35a,35b) utilizzare. 9.- Scambiatore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detti mezzi valvolari (44) sono definiti da valvole a regolazione continua per poter parzializzare la portata di fumi di ricircolo in risposta a comandi dei detti mezzi di comando. 10.- Scambiatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di ricircolo (32) comprendono, inoltre: - mezzi di aspirazione (41) per fare fluire i fumi di ricircolo da una camera di rigenerazione (10) all’altra; detti mezzi di aspirazione operando senza invertire la direzione di spinta dei fumi di ricircolo; e - una valvola a quattro vie e due posizioni (42), la quale mette in comunicazione dette prime bocche (35) selettivamente con una aspirazione ed una mandata di detti mezzi di aspirazione (41) ed à ̈ comandata in modo da invertire la direzione di efflusso dei fumi di ricircolo tra le dette prime bocche (35) in modo sincronizzato con i detti mezzi valvolari di inversione (19a,19b).