ITUD20130167A1 - Bruciatore ad irraggiamento - Google Patents

Description

Descrizione del trovato avente per titolo:

"BRUCIATORE AD IRRAGGIAMENTO"

CAMPO DI APPLICAZIONE

Il presente trovato si riferisce ad un bruciatore ad irraggiamento, o a tubi radianti, ossia ad un combustore che produce calore attraverso l'irraggiamento di una propria superficie esterna, esemplificativamente, ma non limitativamente, una superficie esterna della camera di combustione, oppure una superficie equivalente.

Tale bruciatore può avere numerose applicazioni, molto diverse tra loro, ad esempio può essere previsto per applicazioni termofotovoltaiche, utilizzabile come fonte di energia termica ad elevata efficienza in impianti termofotovoltaici di cogenerazione di calore ed energia elettrica.

Il bruciatore può essere utilizzato in impianti termofotovoltaici sia in ambito industriale che in ambito domestico, ad integrazione o sostituzione di sistemi convenzionali a caldaia.

In generale, il bruciatore ad irraggiamento qui descritto può essere impiegato per produrre calore, che può essere utilizzato per scopi industriali e di riscaldamento. Il presente trovato si riferisce anche ad un impianto termofotovoltaico provvisto di un bruciatore ad irraggiamento come sopra indicato.

STATO DELLA TECNICA

Sono noti gli impianti cogenerativi termofo roduzione contemporanea di energia elettrica e di energia termica a partire da un unico processo di generazione, ad esempio, di energia termica.

Tali impianti possono essere utilizzati sia in ambito industriale che in ambito domestico, potendo soddisfare ad esigenze di illuminazione, di alimentazione di apparati o macchinari, di riscaldamento e/o raffreddamento di ambienti o strutture, di fornitura di acqua calda sanitaria.

È noto utilizzare, per la generazione anzidetta di energia termica, generatori di calore che sfruttano la combustione, all’interno di appositi bruciatori, di combustibili gassosi o miscele di combustibili liquidi, oppure che sfruttano l’energia solare.

È un’esigenza di tali bruciatori quella di fornire energia ad elevata densità, per minimizzare il consumo di combustibile o per aumentare il periodo operativo utile del sistema.

Un’ulteriore esigenza dei bruciatori è quella di avere dimensioni e peso contenuti, per mantenerne ridotti gli ingombri e facilitarne il trasporto e/o il montaggio, in particolare nei casi di installazioni domestiche, o su supporti mobili, quali, ad esempio, veicoli.

Inoltre, è richiesto ai bruciatori di essere semplici ed affidabili, nonché, soprattutto nelle installazioni non industriali, silenziosi,

È pure una necessità, anche regolamentata da apposita normativa nazionale ed intemazionale, quella di contenere le emissioni nocive od inquinanti dovute alla combustione. Tale necessità, in particolare per quanto riguarda il contenimento degli ossidi di azoto (ΝΟχ), limita, di fatto, le temperature d’esercizio a valori inferiori a 1500°C - 1600°C facendo orientare la ricerca verso soluzioni in grado di aumentare, a parità di temperatura d’esercizio, l’efficienza dei bruciatori.

È pure noto che la catena energetica che va dalla sergente di energia termica all’utenza elettrica finale include i suddetti bruciatori, uno o più emettitori di radiazioni elettromagnetiche, normalmente nel campo degli infrarossi, ed una o più celle fotovoltaiche in grado di convertire l’energia delle radiazioni elettromagnetiche in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico.

Le celle fotovoltaiche utilizzate nell’ambito termofotovoltaico hanno, di norma, un comportamento fortemente selettivo, essendo configurate per convertire in energia elettrica solo un ristretto campo di radiazioni elettromagnetiche. Anche all’interno di tale ristretto campo di radiazioni, le celle fotovoltaiche di cui sopra hanno normalmente efficienza diversa per diverse lunghezze d’onda delle radiazioni incidenti.

E quindi necessario che gli emettitori siano in grado di conferire alle celle fotovoltaiche la maggior parte di radiazioni, e con la maggior intensità energetica possibile, nel campo delle lunghezze d’onda per le quali le celle fotovoltaiche hanno i maggiori rendimenti.

Sono noti, inoltre, i bruciatori ad irraggiamento, che generano calore attraverso l'irraggiamento di una propria superficie esterna, ad esempio appartenente alla camera di combustione o ad essa vicina. Tali bruciatori ad irraggiamento vengono utilizzati in applicazioni particolari in cui i prodotti della combustione non possono venire a contatto con materiali limitrofi, come ad esempio nel caso di fornaci ad ambiente controllato. In generale, i bruciatori ad irraggiamento agiscono come fonti di calore indirette, dal momento che il calore viene trasferito senza una fiamma diretta, né attraverso i fumi di scarico.

Sono note inoltre applicazioni più piccole legate al riscaldamento, come ad esempio caldaie, ad esempio a condensazione, o boiler, io, cui tali bruciatori ad irraggiamento prevedono benefici che riguardano principalmente una maggiore efficienza nell'utilizzo dell'energia immessa all'interno del sistema, minor produzione di inquinanti e riscaldamento maggiore.

Sulla base di quanto sopra, è uno scopo del presente trovato quello di realizzare un bruciatore ad irraggiamento che sia compatto ed efficiente, che metta in atto una combustione perfezionata al proprio interno, per generare energia termica ad elevata densità e ad alta temperatura.

Uno scopo particolare del presente trovato è quello di prevedere un bruciatore ad irraggiamento per applicazioni termofotovoltaiche che permetta di ottimizzare l’efficienza dell’emettitore di radiazioni elettromagnetiche e, quindi, la resa elettrica delle celle fotovoltaiche dell’impianto termofotovoltaico nel quale è installato.

Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di realizzare un bruciatore ad irraggiamento che consenta di ridurre le fasi del processo di co-generazione termofotovoltaica, accorciando la catena energetica di tale processo ed aumentando così l’efficienza globale dell’impianto.

È anche uno scopo del presente trovato quello di realizzare un bruciatore ad irraggiamento che sia facile da costruire e da trasportare, poco costoso, e adatto ad installazioni domestiche in impianti integrativi o sostitutivi dei sistemi tradizionali a caldaia.

Per ovviare agli inconvenienti della tecnica nota e per ottenere questi ed ulteriori scopi e vantaggi, la Richiedente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato è espresso e caratterizzato nelle rivendicazioni indipendenti. Le rivendicazioni dipendenti espongono altre caratteristiche del presente trovato o varianti dell’idea di soluzione principale.

In accordo con i suddetti scopi, un bruciatore ad irraggiamento secondo il presente trovato comprende una camera di miscelazione per la miscelazione di un comburente e di un combustibile immesso mediante un dispositivo di alimentazione combustibile. La camera di miscelazione comprende una zona di immissione comburente, una zona di miscelazione per ottenere una miscela di comburente e di combustibile, ed una zona di uscita della miscela verso una camera di combustione.

Secondo il presente trovato, il bruciatore comprende un dispositivo deviatore e generatore di vorticosità di flusso configurato per ricevere il comburente dalla zona di immissione, deviare ed indirizzare con moto vorticoso il comburente verso la zona di miscelazione. Inoltre, il suddetto dispositivo di alimentazione combustibile è configurato per alimentare il combustibile radialmente nella camera di miscelazione e generare, nella suddetta zona di miscelazione, un moto vorticoso della miscela.

In questo modo si ottiene una miscelazione ottimale di combustibile e comburente, grazie al moto vorticoso e turbolento di tali due componenti la miscela, con il conseguente vantaggio di migliorare, in termini di completezza, stabilità, efficienza e pulizia della successiva combustione della miscela stessa, che avviene nella camera di combustione. Inoltre, grazie al moto conferito alla miscela anzidetta, i prodotti della stessa combustione conservano un andamento radiale o tangenziale anche all’interno della camera di combustione.

Si ottiene, di conseguenza, il contatto permanente tra la fiamma e la parete perimetrale della camera di combustione, che viene quindi riscaldata a temperature che possono essere anche prossime o superiori ai 1.000°C e che consentono alla camera di combustione di fungere da emettitore di energia radiante, ad esempio destinata ad eventuali celle termofotovoltaiche.

Secondo un aspetto del presente trovato, la camera e camera di combustione definiscono una direzione di flusso della miscela dalla zona di miscelazione alla camera di combustione, in cui la camera di combustione è posizionata contigua esternamente alla camera di miscelazione lungo la direzione di flusso.

Implementazioni del presente trovato prevedono che la camera di miscelazione abbia forma scatolare e la camera di combustione abbia forma tubolare, entrambe sviluppantesi attorno ad un asse centrale comune, in cui la camera di combustione è posizionata esternamente contigua alla camera di miscelazione lungo tale asse centrale.

In forme di realizzazione del presente trovato, il dispositivo deviatore e generatore di vorticosità di flusso comprende una parete deviatrice, trasversale rispetto alla direzione di flusso, ed una pluralità di palette radiali, in uso fisse, disposte secondo un andamento spiraliforme attorno al suddetto asse centrale.

Si ottiene, quindi, un bruciatore compatto, facile da realizzare e da manutenere grazie all’assenza di parti motorizzate, ed in grado di conferire al comburente una vorticosità elevata, grazie alla solidità delle palette radiali mantenute fisse durante l’utilizzo.

In forme di variante, le palette radiali hanno profilo curvo con concavità rivolta verso l’asse centrale.

Secondo aspetti del presente trovato, le palette radiali sono solidarizzate alla parete deviatrice in una posizione prefissata ed immutabile, oppure sono configurate regolabili in una pluralità di posizioni almeno rispetto ad un piano parallelo alla stessa parete deviatrice.

Secondo il presente trovato può essere altresì previsto che la suddetta camera di miscelazione comprenda una parete di contenimento, interposta tra il dispositivo deviatore e generatore di vorticosità di flusso e la suddetta zona di immissione, e delimitante la zona di miscelazione. Tale parete di contenimento è configurata per invertire assialmente il moto vorticoso della miscela lungo l’asse centrale, senza comprometterne la vorticosità, deviando la miscela stessa lungo la direzione di flusso verso una zona di accensione nella camera di combustione, ove avviene l’innesco della combustione, posta a valle della zona d’uscita della camera di miscelazione.

Da ciò deriva il vantaggio di mantenere la turbolenza e l’andamento vorticoso del moto della miscela anche nella camera di combustione, con il vantaggio che le componenti tangenziali di tale moto permettono l’adesione della fiamma alla parete della camera di combustione, riscaldandola.

Rientra nello spirito del presente trovato anche un bruciatore ad irraggiamento come qui descritto, configurato per la generazione di energia termica in applicazioni termofotovoltaiche.

Forma oggetto del presente trovato anche un impianto cogenerativo termofotovoltaico comprendente un bruciatore ad irraggiamento per la generazione di energia termica come sopra indicato, ed una o più celle termofotovoltaiche associate al bruciatore e configurate per ricevere da esso almeno una quota parte della suddetta energia termica sotto forma di energia radiante, in cui la camera di combustione definisce un emettitore di energia radiante verso l’una o più celle termofotovoltaiche.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Queste ed altre caratteristiche del presente trovato appariranno chiare dalla seguente descrizione di forme di realizzazione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni in cui:

- la fig. 1 è uno schema semplificato del funzionamento di un impianto termofotovoltaico comprendente un bruciatore ad irra presente trovato.

- la fig. 2 è una vista assonometrica di un bruciatore ad irraggiamento secondo il presente trovato;

- la fig. 3 è una vista dall’alto di una parte del bruciatore di fig. 2.

Nella descrizione che segue, numeri di riferimento uguali indicano parti uguali di bruciatore ad irraggiamento secondo il presente trovato, anche in forme di realizzazione diverse fra loro. Va inteso che elementi e caratteristiche di una forma di realizzazione possono essere convenientemente incorporati in altre forme di realizzazione senza ulteriori precisazioni.

DESCRIZIONE DI FORME DI REALIZZAZIONE

Si farà ora riferimento nel dettaglio alle varie forme di realizzazione del trovato, delle quali uno o più esempi sono illustrati nelle figure allegate. Ciascun esempio è fornito a titolo di illustrazione del trovato e non è inteso come una limitazione dello stesso. Ad esempio, le caratteristiche illustrate o descritte in quanto facenti parte di una forma di realizzazione potranno essere adottate su, o in associazione con, altre forme di realizzazione per produrre un’ulteriore forma di realizzazione. Resta inteso che il presente trovato sarà comprensivo di tali modifiche e varianti.

Le figure allegate sono utilizzate per descrivere forme di realizzazione di un bruciatore 10 ad irraggiamento, cioè che produce calore attraverso l'irraggiamento della superficie esterna della camera di combustione. In possibili esempi di forme di realizzazione, il bruciatore 10 ad irraggiamento è configurato per applicazioni termofotovoltaiche, utilizzabile come sorgente di calore per installazioni cogenerative di tipo domestico.

La destinazione d’uso del bruciatore 10 ad irraggiamento considerata nella presente descrizione è solamente esemplificativa e non limitativa di possibili soluzioni applicative, ed è fornita per meglio contestualizzare ed interpretare le forme di realizzazione di seguito descritte a titolo d’esempio.

Resta inteso che tali forme di realizzazione sono intese come base concettuale per ulteriori forme di realizzazione del bruciatore 10 ad irraggiamento, anche in applicazioni diverse da quella domestica, ad esempio per applicazioni industriali. In un contesto domestico, il bruciatore 10 può avere la funzione di integrare, fino anche a sostituire, una caldaia di tipo tradizionale. In ambito industriale è una fonte primaria di calore per le applicazioni a cui è destinato.

La figura 1 è utilizzata per descrivere, in modo schematico, possibili forme di realizzazione di un impianto cogenerativo termofotovoltaico 100 nel quale è installato un bruciatore 10 secondo il presente trovato.

Il bruciatore 10 può includere una camera di miscelazione 11 per la miscelazione di combustibile C e comburente A, per ottenere una miscela M, ed una camera di combustione 12, nella quale avviene la combustione della miscela M.

Il bruciatore 10 è configurato per generare, mediante la combustione anzidetta, energia termica ET, una quota parte della quale viene trasferita sotto forma di energia radiante ERverso una o più celle termofotovoltaiche 101, mentre la rimanente quota parte, al netto di eventuali perdite, viene utilizzata come energia di riscaldamento EHper il riscaldamento di un’utenza domestica 102 o di una pluralità di utenze domestiche 102.

In questo modo, la camera di combustione 12 funge da emettitore di energia radiante ER, permettendo di sostituire gli emettitori che normalmente vengono utilizzati nella tecnica nota in aggiunta ad un’unità di generazione di calore.

Ne consegue, quindi, un vantaggio in termini di semplificazione impiantistica dell’impianto cogenerativo termofotovoltaico 100, riducend di fatto, il numero dei componenti. Ciò ha anche come conseguenza quella di aumentare l’efficienza globale dell’impianto cogenerativo termofotovoltaico 100, riducendo, rispetto a quanto avviene nella tecnica nota, il numero di fasi di conversione dell’energia, le quali fasi sono, di norma, fonti di perdite energetiche.

L’impiego della camera di combustione 12 come emettitore di energia radiante ER, inoltre, permette di far fronte alla necessità impiantistica di avere un emettitore ad elevata temperatura, il che consente di ottenere elevata energia radiante ER.

L’impianto cogenerativo termofotovoltaico 100 può essere utilizzato per la generazione di energia di riscaldamento EHper la produzione di acqua calda sanitaria e/o di aria calda, oppure di acqua calda, per il riscaldamento di ambienti dell’una o più utenze domestiche 102.

Le celle termofotovoltaiche 101 sono configurate per convertire l’energia radiante Er, ad esempio definita da radiazioni infrarosse, in energia elettrica Ee, che viene destinata all’alimentazione delle summenzionate una o più utenze domestiche 102. In possibili forme di variante, rimpianto cogenerativo termofotovoltaico 100 può includere uno o più filtri 103, che possono essere eventualmente utilizzati per filtrare le radiazioni che definiscono l’energia radiante ER. In questo modo, all’una o più celle termofotovoltaiche 101 possono pervenire solo le radiazioni aventi lunghezze d’onda comprese nel campo delle radiazioni convertibili dalle stesse celle termofotovoltaiche 101, per ottimizzarne l’efficienza.

La figura 2 è utilizzata per descrivere forme di realizzazione del bruciatore 10 nelle quali la camera di miscelazione 11 ha una forma scatolare che si sviluppa attorno ad un asse centrale X ed è delimitata da una parete perimetrale 111 e da una parete di fondo 211 trasversale, ad esempio ortogonale, rispetto all’asse centrale X.

Il flusso di materiale all’interno del bruciatore 10 a nel complesso, lungo una direzione di flusso F, sostanzialmente parallela all’asse centrale X, con verso dalla camera di miscelazione 11 alla camera di combustione 12.

In forme di realizzazione, la camera di combustione 12 può avere una forma tubolare, delimitata da una parete perimetrale 112 e può svilupparsi attorno al medesimo asse centrale X, oppure attorno ad un asse parallelo ad esso.

In possibili soluzioni realizzative, la camera di miscelazione 11 e la camera di combustione 12 possono essere contigue e poste in successione lungo la direzione di flusso F, in cui la camera di combustione 12 può essere disposta esternamente alla camera di miscelazione 11.

In ulteriori soluzioni realizzative, la camera di miscelazione 11 e la camera di combustione 12 possono essere coassiali, e la camera di combustione 12 può essere disposta esternamente alla camera di miscelazione 11 e sul prolungamento dell’asse centrale X.

In forme di realizzazione, la camera di miscelazione 11 e la camera di combustione 12 possono avere entrambe una forma assialsimmetrica tubolare cilindrica, in cui le corrispondenti sezioni trasversali circolari possono avere rispettivamente un primo diametro DI ed un secondo diametro D2.

In ulteriori forme di realizzazione, la camera di combustione può avere una qualsiasi forma tubolare, a sezione quadrata o poligonale, con sviluppo rettilineo, curvo o poligonale o in qualsiasi forma combinazioni delle precedenti.

Può essere previsto che il primo diametro DI sia maggiore del secondo diametro D2.

In ulteriori forme di realizzazione, la camera di miscelazione 11 e la camera di combustione 12 possono avere sezione trasversale, ad esempio, poligonale o ellissoidale.

Anche in tali forme di realizzazione, la camera di miscelazione 11 può avere una sezione trasversale, rispetto all’asse centrale X, più estesa della camera di combustione 12.

In possibili soluzioni realizzative, definita con “L” una lunghezza della camera di combustione 12 lungo l’asse centrale X, può essere previsto che il primo diametro DI abbia un valore compreso tra 4/15 e 4/5 della lunghezza L.

In ulteriori soluzioni realizzative, combinabili con tutte le soluzioni e forme di realizzazione qui descritte, data la lunghezza L della camera di combustione 12, può essere previsto che il secondo diametro D2 abbia un valore compreso tra 1/20 ed 1/5 della lunghezza L.

Un esempio può essere fornito per il bruciatore 10 nel quale il primo diametro DI può avere un valore di 80 mm ed il secondo diametro D2 un valore di 20 mm, a fronte di una lunghezza L di 200 mm, con un rapporto Dl/L pari a 2/5 e un rapporto D2/L pari a 1/10.

In questo modo si viene a definire, oltre che un bruciatore 10 compatto nel suo complesso, anche una superficie di emissione di energia radiante ERrelativamente ridotta, sì da ottenere un’energia radiante ERad elevata densità, o concentrazione. L’elevata densità di energia radiante ERè funzionale ad un’elevata efficienza delle celle termofotovoltaiche 101, per le quali l’energia elettrica EEin uscita è direttamente proporzionale alla densità di energia radiante ERin ingresso.

Inoltre, ad una maggiore densità di energia radiante ER in ingresso può anche corrispondere, a parità di energia elettrica EEin uscita, una minor superficie utile di celle termofotovoltaiche 101, permettendo di ridurre, di conseguenza, il costo complessivo dell’intero impianto cogenerativo termofotovoltaico 100.

Nel caso di applicazioni industriali, ad esemp o 10 possono, oltre che fornire una voluta densità energetica, anche permettere una superficie emittente complessiva in grado di emettere, eventualmente anche con una minore temperatura nominale della superficie emittente, un’energia radiante ERtotale adeguata, in modo da limitare l’area di carico della fornace.

In forme di realizzazione, la camera di miscelazione 11 può essere suddivisa in una zona di immissione comburente I la, attraverso la quale il comburente A viene immesso nella camera di miscelazione 11, in una zona di miscelazione 11 b, nella quale il comburente A viene miscelato con il combustibile C, per determinare una miscela M, ed una zona d’uscita I le, dalla quale la miscela M esce dalla camera di miscelazione 11 ed entra nella camera di combustione 12, nella quale avviene la combustione della miscela M stessa.

In possibili implementazioni, il comburente A può essere aria ed il combustibile C può essere metano.

Aria e metano sono solamente esempi di comburente A e combustibile C che possono essere utilizzati nel bruciatore 10, ad esempio in applicazioni domestiche, tuttavia altri gas possono essere usati al posto del metano, ad esempio propano, butano, gas naturale, gpl, ricavati da processi di digestione aerobica o anaerobica, o da processi di trasformazione di rifiuti.

Il bruciatore 10 è configurato per ottenere una miscela M avente moto vorticoso in ingresso alla camera di combustione 12, il che favorisce una combustione completa, stabile, priva di ritorni di fiamma o autoaccensioni che possono renderla instabile e disuniforme e comprometterne l’efficienza.

Inoltre, la combustione di una miscela M avente moto vorticoso permette di ottenere una temperatura uniforme sulla superficie dell’emettitore rivolta verso le celle termofotovoltaiche 101, una superficie di emissione ampia ed il contenimento delle emissioni reflue, come sarà chiaro nel seguito della descrizione.

Il comburente A può essere introdotto assialmente nella camera di miscelazione 11 attraverso la zona di immissione comburente I la ed avere un moto iniziale parallelo all’asse centrale X.

In forme di realizzazione, il comburente A può essere preriscaldato, ad esempio in uno scambiatore di calore, prima della, o contestualmente alla, introduzione nella camera di miscelazione 11.

In seguito, il comburente A può essere deflesso radialmente da mezzi deflettori verso la parete perimetrale 111 in una zona periferica della camera di miscelazione 11, in allontanamento dall’asse centrale X.

Tale soluzione può essere adottata per conferire al moto del comburente A una componente tangenziale.

In possibili soluzioni realizzative, la deflessione radiale del comburente A può essere effettuata tramite una parete conica 13 che funge da mezzo deflettore verso la periferia radiale della camera di miscelazione 11.

In alternativa alla parete conica 13, può essere prevista una parete piramidale, oppure sferica, o ellissoidale, oppure ancora possono essere previsti piani inclinati in modo divergente dall’asse centrale X.

In forme di realizzazione del bruciatore 10, la parete conica 13 può anche definire una parete di contenimento che sottende la zona di miscelazione 1 lb. In quest’ultima, dalla parte opposta della parete conica 13 rispetto alla zona di immissione I la, vengono miscelati il comburente A ed il combustibile C.

In alternativa alla parete conica 13, possono essere utilizzati altri accorgimenti per deflettere il comburente A, ad esempio può essere prevista l’introduzione radiale, anziché assiale, del comburente A nella camera di miscelazione 11, per cui esso possiede un moto iniziale trasversale rispetto all’asse centrale X, e la parete perimetrale 111 può fungere da mezzo deflettore.

Forme di realizzazione del presente trovato, descritte con riferimento alle figure 2 e 3, e combinabili con tutte le forme di realizzazione qui descritte, possono prevedere che il bruciatore 10 includa un dispositivo deviatore e generatore di vorticosità di flusso 14, posizionato in prossimità della zona d’uscita l ic e configurato per invertire la direzione del moto del comburente A e per conferire, contemporaneamente, allo stesso comburente A, un moto vorticoso.

Il dispositivo deviatore e generatore di vorticosità di flusso 14 può includere una parete deviatrice P ed pluralità di palette radiali 15.

In forme di realizzazione, la parete deviatrice P può coincidere con la parete di fondo 211.

Nel caso specifico, non limitativo, descritto esemplificativamente con riferimento alle figure 2 e 3, le palette radiali 15 sono 6, poggianti sulla, e fissate alla, parete deviatrice P.

Resta inteso che il numero delle palette può essere diverso da 6, in numero maggiore o minore.

Le palette radiali 15 possono essere disposte attorno all’asse centrale X, ad esempio su più file susseguentisi radialmente.

La parete deviatrice P è configurata sia per invertire il moto del comburente A, definendone una prima inversione assiale del moto, ossia contrariamente alla direzione di flusso F, sia per forzarne il passaggio attraverso le palette radiali 15.

Le palette radiali 15 possono essere configurate per costringere il comburente A a fluire in modo centripeto verso l’asse centrale X.

Le figure 2 e 3 possono essere utilizzate per descriv delle palette radiali 15 nelle quali queste possono avere un profilo arcuato con concavità rivolta verso l’asse centrale X.

Il profilo arcuato anzidetto può essere definito da un arco di cerchio, oppure da un profilo alare, oppure da un’altra curva regolare, spezzata, o mista, con concavità rivolta come sopra.

In possibili forme di realizzazione, combinabili con tutte le forme di realizzazione qui descritte, le palette radiali 15 possono avere profilo rettilineo.

In possibili soluzioni realizzative, le palette radiali 15 possono essere cilindriche, ossia avere sezione costante, oppure possono avere sezione variabile, oppure ancora possono essere svergolate, a seconda delle esigenze progettuali e costruttive.

Può anche essere previsto che le palette radiali 15 siano concentriche tra loro, oppure può essere previsto, in soluzioni preferite, che le palette radiali 15 siano reciprocamente ruotate, rispetto ad una posizione concentrica, sulla parete deviatrice P, o su un piano parallelo ad essa, attorno ad una direzione parallela all’asse centrale X, a definire un andamento spiraliforme attorno a quest’ultimo.

In possibili implementazioni del presente trovato, le palette radiali 15 possono essere disposte secondo un andamento spiraliforme in senso orario, imprimendo al flusso una rotazione antioraria, oppure tale andamento può essere anche opposto, ossia con palettatura in senso antiorario e flusso con rotazione oraria.

Inoltre, può essere previsto che palette radiali 15 adiacenti definiscano sezioni di passaggio del comburente A decrescenti dalla zona periferica della camera di miscelazione 11 verso l’asse centrale X.

In ragione delle condizioni di flusso che si instaurano nel dispositivo deviatore e generatore di vorticosità di flusso 14, il passaggio attraverso sezioni di passaggio decrescenti può avere la funzione di accelerare il flusso del comburente A.

Inoltre, la deviazione operata dal dispositivo deviatore e generatore di vorticosità di flusso 14 forza il moto vorticoso del comburente A verso la zona di miscelazione 1 lb, posizionata tra le palette radiali 15 e la zona di immissione I la, in particolare tra le palette radiali 15 e la parete conica 13, e sostanzialmente sottesa da quest’ultima. Le figure 2 e 3 possono anche essere utilizzate per descrivere forme di realizzazione nelle quali il bruciatore 10 comprende un condotto di alimentazione combustibile 16, che funge da mezzo di alimentazione combustibile ed è configurato per alimentare il combustibile C radialmente nella camera di miscelazione 11.

In possibili implementazioni, il combustibile C può essere sottoposto a preriscaldo prima della, o contestualmente alla, immissione nella camera di miscelazione 11. In forme di realizzazione, il condotto di alimentazione combustibile 16 può svilupparsi, almeno nel proprio ultimo tratto, lungo un asse trasversale Y, inclinato rispetto all’asse centrale X, ad esempio ortogonale ad esso.

In forme di variante, l’asse trasversale Y può giacere su un piano parallelo alla parete deviatrice P su cui giacciono le palette radiali 15, oppure su un piano inclinato rispetto ad essa.

Può essere altresì previsto che il condotto di alimentazione combustibile 16 sia configurato per alimentare combustibile C nella camera di miscelazione 11 in una posizione intermedia tra le palette radiali 15 e la zona di miscelazione 1 lb.

L’immissione radiale del combustibile C nella camera di miscelazione 11 permette al combustibile C stesso di avere un moto vorticoso, quindi provvisto di una componente tangenziale, attorno all’asse centrale X.

Il moto vorticoso del comburente A è anche tale da trascinare il combustibile C verso la zona di miscelazione 1 lb, in direzione opposta alla direzione di flusso F. II moto del comburente A ed il moto del combustibile C determinano la miscelazione di tali due reagenti nella zona di miscelazione l lb, da cui si ottiene la miscela M da bruciare nella camera di combustione 12.

Il fatto che entrambi i moti, sia del comburente A che del combustibile C, siano vorticosi e turbolenti, permette Γ ottimizzazione della miscelazione del comburente A con il combustibile C, il che incide positivamente sulla successiva combustione della miscela M, in termini di completezza, pulizia e stabilità della stessa.

L’accensione, la stabilità e lo sviluppo completo delle reazioni di combustione, infatti, dipendono fortemente dalla diffusione delle molecole di combustibile C nel comburente A.

Si viene quindi a creare una miscela M che, grazie alla vorticosità del moto dei due componenti, e al tempo di residenza degli stessi nella zona di miscelazione l lb, è omogenea e a sua volta si muove con moto vorticoso e turbolento verso la parete conica 13.

La parete conica 13 può essere configurata per invertire il moto della miscela M, che, impattando contro la stessa parete conica 13, viene direzionata nella direzione di flusso F ed inviata verso la camera di combustione 12.

In forme di realizzazione, il bruciatore 10 può essere provvisto, in corrispondenza della zona di uscita I le della camera di miscelazione 11, di un tratto d’imbocco 17, che collega la camera di miscelazione 11 alla camera di combustione 12.

II tratto d’imbocco 17 può avere forma tubolare, coassiale all’asse centrale X, ed essere posizionato, lungo lo stesso asse centrale X, parzialmente all’interno della camera di miscelazione 11.

In possibili soluzioni realizzative, il tratto d’imbocco 17 può avere una sezione trasversale inferiore rispetto a quella della camera di combustione 12, ad esempio può avere sezione circolare con diametro inferiore al secondo diametro D2.

In forme di variante, il tratto d’imbocco 17 può avere la stessa sezione trasversale della camera di combustione 12.

Nel caso di sezione trasversale del tratto d’imbocco 17 inferiore rispetto a quella della camera di combustione 12, si definisce una discontinuità geometrica tra i due componenti del bruciatore 10, discontinuità che determina una brusca espansione della miscela M, prima della combustione.

Tale brusca espansione ha lo scopo di deflettere le linee di flusso della miscela M verso la parete perimetrale 112 che delimita la camera di combustione 12.

Possibili implementazioni del presente trovato possono prevedere che l’accensione della miscela M avvenga, spontaneamente, oppure tramite mezzi di accensione (non riportati nei disegni), in una zona di accensione I della camera di combustione 12 attigua alla zona d’uscita 1 le della camera di miscelazione 11.

In ulteriori implementazioni, la zona di accensione I, ove viene innescata la combustione della miscela M, può essere definita da una porzione di camera di combustione 12 direttamente a valle, lungo la direzione di flusso F, rispetto al tratto d’imbocco 17, ossia la zona dove si verifica la summenzionata brusca espansione. L’innesco della combustione, ad esempio per accensione spontanea, può essere vantaggiosamente favorito dall’espansione anzidetta della miscela M e dalle condizioni di flusso a bassa velocità che si creano in una parte della miscela M stessa. II moto vorticoso impartito alla miscela M prima del tratto d’imbocco 17 e prima della zona di accensione I si mantiene anche dopo l’innesco, all’interno della camera di combustione 12, il che permette al bruciatore 10 di avere una fiamma B aderente alla parete perimetrale 112 della camera di combustione 12.

In questo modo, grazie al moto vorticoso della miscela M, a ridosso della parete perimetrale 112 si può identificare una zona periferica 12a, sostanzialmente cilindrica, nella quale la fiamma B è dotata di un moto ad elevata velocità tangenziale, mentre nella zona a ridosso dell’asse centrale X, tale velocità è ridotta.

La velocità assunta dalla miscela M nella camera di miscelazione 11 per effetto delle precedenti deviazioni del moto del comburente A, consente, inoltre, la stabilizzazione delle reazioni di combustione, che può essere mantenuta uniformemente all’interno di tutta la camera di combustione 12.

Nella zona periferica 12a è concentrata la maggior parte dell’energia termica ETsviluppata dalla combustione che avviene all’interno della camera di combustione 12. In tale zona periferica 12a, la fiamma B, mantenuta dalla vorticosità del moto a contatto con la parete perimetrale 112, cede costantemente energia termica ETalla parete perimetrale 112, riscaldandola ad elevate temperature, anche nell’ordine di 800°C - 1.000°C, o superiori.

Ne consegue che, attraverso la propria parete perimetrale 112, la camera di combustione 12 può fungere da emettitore di energia radiante ER ad elevata densità e a temperatura uniforme, con i vantaggi già indicati in precedenza.

Per resistere alle temperature che si sviluppano durante la combustione, e che sono anche superiori a quelle anzidette, i materiali con cui è realizzata la parete perimetrale 112 possono essere materiali metallici ad elevata resistenza termo-meccanica, ad esempio acciai speciali alto-legati, ghise, leghe di nichel, nichel-cromo, cobalto, oppure materiali ceramici, ad esempio ossidi di alluminio, silicio, o carburi, carbonitruri, oppure ancora materiali compositi appositamente studiati per avere elevata resistenza termo-meccanica alle temperature sopraccitate.

Inoltre, può essere previsto di scegliere, tra i suddetti materiali, quelli a più elevata emissività, che garantiscono la maggiore efficienza di emissione di energia radiante ERa fronte della generazione interna di energia termina Εχ.

È pure un criterio di scelta quello legato alla corrispondenza tra le lunghezze d’onda delle radiazioni emesse dal materiale che costituisce la parete perimetrale 112 e le lunghezze d’onda delle radiazioni che possono essere convertite in energia elettrica EEdalle celle termofotovoltaiche 101.

E chiaro che al bruciatore 10 per applicazioni termofotovoltaiche fin qui descritto possono essere apportate modifiche e/o aggiunte di parti, senza per questo uscire dall’ambito del presente trovato.

Ad esempio, aperture passanti 18, ad esempio fori, asole, od aperture di una qualsivoglia forma (fig. 2), possono essere ricavate nella parete perimetrale 112 in corrispondenza della zona di accensione I, per fornire accesso di aria secondaria nella camera di combustione 12.

Inoltre, il bruciatore 10 può essere dotato di una superficie di contenimento esterna rispetto alla camera di combustione 12 nella quale può essere effettuato il ricircolo dei fumi di scarico.

Tale superficie può diventare a sua volta emettitrice di energia radiante ERverso l'esterno.

E anche chiaro che, sebbene il presente trovato sia stato descritto con riferimento ad alcuni esempi specifici, una persona esperta del ramo potrà senz’altro realizzare molte altre forme equivalenti di bruciatore per applicazioni termofotovoltaiche, aventi le caratteristiche espresse nelle rivendicazioni e quindi tutte rientranti nell’ambito di protezione da esse definito.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Bruciatore ad irraggiamento comprendente una camera di miscelazione (11) per la miscelazione di un comburente (A) e di un combustibile (C) immesso mediante un dispositivo di alimentazione combustibile (16), detta camera di miscelazione (11) comprendendo una zona di immissione comburente (I la), una zona di miscelazione (1 lb) per ottenere una miscela (M) di comburente (A) e di combustibile (C), ed una zona di uscita ( 11 c) della miscela (M) verso una camera di combustione ( 12), caratterizzato dal fatto che comprende: - un dispositivo deviatore e generatore di vorticosità di flusso (14) configurato per ricevere il comburente (A) dalla zona di immissione (I la), deviare ed indirizzare con moto vorticoso il comburente (A) verso la zona di miscelazione (1 lb); in cui detto dispositivo di alimentazione combustibile (16) è configurato per alimentare il combustibile (C) radialmente in detta camera di miscelazione (11) e generare, in detta zona di miscelazione (11 b), un moto vorticoso di detta miscela (M).
2. 2. Bruciatore ad irraggiamento come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta camera di miscelazione (11) e detta camera di combustione (12) definiscono una direzione di flusso (F) di detta miscela (M) dalla zona di miscelazione (1 lb) alla camera di combustione (12), detta camera di combustione (12) essendo posizionata contigua esternamente a detta camera di miscelazione (11) lungo detta direzione di flusso (F).
3. 3. Bruciatore ad irraggiamento come nella rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detta camera di miscelazione (11) ha forma scatolare e detta camera di combustione (12) ha forma tubolare, entrambe sviluppantesi attorno ad un asse centrale (X) comune, detta camera di combustione (12) essendo posizionata contigua esternamente a detta camera di miscelazione (11), lungo detto asse centrale (X).
4. 4. Bruciatore ad irraggiamento come nelle rivendicazioni 2 e 3, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo deviatore e generatore di vorticosità di flusso (14) comprende una parete deviatrice (P), trasversale rispetto a detta direzione di flusso (F), ed una pluralità di palette radiali (15), in uso fisse, disposte secondo un andamento spiraliforme attorno a detto asse centrale (X).
5. 5. Bruciatore ad irraggiamento come nella rivendicazione 4, caratterizzato dai fatto che dette palette radiali (15) sono reciprocamente ruotate, su un piano parallelo a detta parete deviatrice (P) e attorno ad una direzione parallela a detto asse centrale (X), a definire sezioni di passaggio del comburente (A) decrescenti in direzione centripeta verso l’asse centrale (X).
6. 6. Bruciatore ad irraggiamento come in una o l’altra delle rivendicazioni da 3 a 5, caratterizzato dal fatto che dette palette radiali (15) hanno un profilo curvo con concavità rivolta verso detto asse centrale (X).
7. 7. Bruciatore ad irraggiamento come nella rivendicazione 5 o 6, caratterizzato dal fatto che dette palette radiali (15) sono solidarizzate a detta parete deviatrice (P) in una posizione prefissata ed immutabile.
8. 8. Bruciatore ad irraggiamento come nella rivendicazione 5 o 6, caratterizzato dal fatto che dette palette radiali (15) sono configurate regolabili in una pluralità di posizioni almeno rispetto ad un piano parallelo a detta parete deviatrice (P).
9. 9. Bruciatore ad irraggiamento come in una o l’altra delle rivendicazioni da 3 a 8, caratterizzato dal fatto che detta camera di miscelazione (11) ha una sezione trasversale essenzialmente costante lungo l’asse centrale (X) e, misurata ortogonalmente rispetto a detto asse centrale (X), maggiore rispetto ad una sezione trasversale, essenzialmente costante lungo l’asse centrale (X), della camera di combustione (12).
10. 10. Bruciatore ad irraggiamento come in una o l’altra delle rivendicazioni da 2 a 9, caratterizzato dal fatto che detta camera di miscelazione (11) comprende una parete di contenimento (13), interposta tra detto dispositivo deviatore e generatore di vorticosità di flusso (14) e detta zona di immissione (I la) e delimitante la zona di miscelazione (1 lb), detta parete di contenimento (13) essendo configurata per invertire assialmente il moto vorticoso della miscela (M) lungo l’asse centrale (X), per deviare detta miscela (M) lungo detta direzione di flusso (F) verso una zona di accensione (I) nella camera di combustione ( 12), a valle della zona di uscita (11 c) di detta camera di miscelazione (11).
11. 11. Bruciatore ad irraggiamento come in una o l’altra delle rivendicazioni da 3 a 10, caratterizzato dal fatto che comprende un tratto d’imbocco (17), di forma tubolare, interposto tra la zona di miscelazione (1 lb) e la camera di combustione (12), e avente una sezione trasversale, misurata ortogonalmente rispetto a detto asse centrale (X), inferiore rispetto alla sezione trasversale di detta camera di combustione (12).
12. 12. Bruciatore ad irraggiamento come in una o l’altra delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende una o più aperture passanti (18), ricavate in una parete perimetrale (112) di detta camera di combustione (12) in prossimità della zona d’uscita (1 la) di detta camera di miscelazione (11).
13. 13. Impianto cogenerativo termofotovoltaico comprendente un bruciatore ad irraggiamento per la generazione di energia termica (ET) secondo una o l’altra delle rivendicazioni precedenti, ed una o più celle termofotovoltaiche (101) associate a detto bruciatore (10) e configurate per ricevere dal bruciatore (10) almeno una quota parte di detta energia termica (ET) sotto forma di energia radiante (ER), in cui detta camera di combustione (12) definisce un emettitore di energia radiante (ER) verso l’una o più celle termofotovoltaiche (101).