ITVE20000024A1 - Nuovo tipo di scambiatore di calore per recuperare il calore dai fumidi combustione che escono da un forno. - Google Patents

Description

“Descrizione dell’invenzione avente per titolo: Nuovo tipo di scambiatore di calore per recuperare il calore dai fumi di combustione che escono da un forno.”

Il nuovo tipo di scambiatore è costituito da tubi di acciaio che possono essere sostituiti, aggiunti o rimossi durante il funzionamento in modo da ottimizzarne le prestazioni in funzione del regime e dello stato del forno.

Quando un forno lavora ad alta temperatura il rendimento della combustione è basso perché la maggior parte del calore se ne va con i fumi di combustione che escono dal forno stesso. Per migliorarlo si usa preriscaldare Paria comburente recuperando il calore dai filmi, prima di inviarli alla ciminiera. Nella tecnica odierna il preriscaldo dell’aria si realizza per mezzo di tre tipi di scambiatori di calore:

1 -Rigeneratori, si tratta di volumi confinati, riempiti opportunamente di materiale refrattario, attraverso i quali passano alternativamente i filmi che si raffreddano e Paria che si riscalda fino a circa 1200°C;

2-Ricuperatori metallici, i filmi caldi passano all’interno di un cilindro nella cui circonferenza è ricavata un’intercapedine attraverso la quale passa Paria che si riscalda fino a 750÷800°C;

3 -Ricuperatori ceramici: Paria ed i fumi passano, senza mescolarsi, attraverso una rete di canali adiacenti realizzati in materiale refrattario, consentendo di raggiungere temperature di preriscaldo dell’aria di 800÷1000°C.

Lo svantaggio dei sistemi a rigenerazione è l’elevato costo di investimento; ciò nonostante essi sono generalmente usati nel caso dei forni di grande dimensione poiché, con temperature di preriscaldo deH’aria fino a 1200 °C, consentono i migliori rendimenti.

Per i forni di dimensioni minori vengono di preferenza usati ricuperatori metallici o ceramici, questi ultimi essendo sempre meno impiegati sia per il loro elevato costo che per la scarsa affidabilità. Grazie anche al loro minore costo ed alla loro maggiore affidabilità, sono invece molto utilizzati i ricuperatori metallici, che sono di due tipi:

a) a intercapedine o doppio mantello: in questo caso l’intercapedine, al cui intemo scorre l’aria, è realizzata da due cilindri metallici coassiali; quello interno confinante i fumi;

b) a fascio tubiero: in questo caso l’aria scorre all’intemo di una serie di tubi, disposti radialmente sulla circonferenza esterna del tubo confinante i fumi.

I ricuperatori a intercapedine o doppio mantello sono adatti per piccole portate di fumi; oltre una certa portata il diametro da essi attraversato deve essere aumentato e corrispondentemente, per avere una velocità dell’aria sufficientemente elevata (10÷Ί5 Nm/s) per garantire un adeguato scambio termico, l’intercapedine dovrebbe ridursi.

Se si utilizza un ricuperatore metallico (sia a intercapedine che a fascio tubiero) in equicorrente si arriva a preriscaldare l’aria fino a circa 600 °C. Per raggiungere i 750÷800 °C di preriscaldo è conveniente usare un impianto a doppio stadio, ovvero usare due ricuperatori in serie. D primo ricuperatore opera in equicorrente e riceve i filmi in uscita dal forno preriscaldando l’aria da circa 250÷300°C fino a 750÷800°C; il secondo ricuperatore, che può lavorare sia in equicorrente che in controcorrente, preriscalda l’aria da temperatura ambiente fino a 250÷300°C e la invia al primo.

Una delle difficoltà nel dimensionamento di questi scambiatori sta nel fatto che non si conosce con precisione la temperatura di uscita fumi dal forno, ed essa definisce l’irraggiamento da parte della C02 e dell’H20 presenti nei fumi stessi. Dalla quantità di calore irradiato dai fumi e dal coefficiente di convezione dell’aria dipende la temperatura di lavoro dell’acciaio ed il grado di preriscaldo dell’aria. La temperatura dei fumi non è correttamente rilevabile con i normali sensori (termocoppie) industriali i quali forniscono di essa un valore intermedio tra quello dei fumi e quello dell’ambiente che li confina.

Oltre alle difficoltà di dimensionamento richiamate, questi scambiatori sono anche sensibili alle variazioni di portata e non consentono per questo un campo di applicazione molto vasto.

Un loro impreciso dimensionamento o un cambio delle condizioni di esercizio li condanna ad un rapido degrado o ad una scarsa efficienza. Durante l’uso inoltre i depositi sulla superficie dell’acciaio ne riducono comunque l’efficienza e la pulizia di questi depositi è praticamente impossibile.

La presente invenzione riguarda uno speciale ricuperatore metallico a tubi intercambiabili nel senso che questi possono essere rimossi, puliti o sostituiti e aggiunti, durante il funzionamento ed in funzione della campagna del forno.

E’ possibile in questo modo innanzitutto sopperire agli errori di dimensionamento ed adeguare lo scambiatore di calore ai cambi di produzione con una certa facilità.

E’ possibile inoltre provvedere periodicamente o secondo necessità alla pulizia dei tubi di acciaio, quando essi siano incrostati da depositi di polveri, garantendo in questo modo nel tempo un elevato grado di preriscaldo dell’aria. Negli scambiatori tradizionali, nei quali l’ingresso e l’uscita dell’aria sono posti a livelli nettamente diversi, l’aria fredda entra nella parte bassa dello scambiatore, fluisce verso l’alto in equicorrente con i fumi ed esce nella parte superiore; secondo la presente invenzione l’aria fredda entra nella parte alta dello scambiatore, scorre verso il basso entro un tubo intemo (parzialmente isolato) e giunta nella parte bassa risale in equicorrente con i fumi, nell’intercapedine ricavata tra lo stesso tubo di discesa ed un altro tubo coassiale esterno ad esso, il quale viene irradiato dai fumi di combustione. Lo scambiatore oggetto della presente invenzione, una visione d’insieme del quale è fornita dalla figura 1, è in particolare costituito da:

a) un distributore di aria fredda, posto nella parte superiore, che distribuisce l’aria fredda ai tubi interni;

b) un convogliatore di aria calda, posto inferiormente al precedente, che raccoglie l’aria calda in uscita dai tubi esterni.

La parte più delicata dello scambiatore di cui al presente brevetto è rappresentata dal collegamento dei tubi (interni ed esterni) con il rispettivo distributore e/o convogliatore, dal momento che i tubi per essere mobili non possono essere collegati ad essi per saldatura. Ci sono comunque vari modi per operare questi collegamenti garantendone la tenuta, due dei quali sono rappresentati nelle figure 2 e 3.

Eventuali fughe di aria dalla connessione non potranno avere che un effetto limitato sul rendimento dello scambiatore poiché la diluizione dei filmi avrebbe luogo a scambio termico già avvenuto. Tuttavia queste eventuali fughe devono essere assolutamente limitate per potere regolare la combustione nel modo più efficace.

Alcuni dei vantaggi della presente invenzione sono i seguenti:

1. maggiore affidabilità dell’impianto perché eventuali danni derivanti dall’uso possono essere riparati senza bisogno di fermare rimpianto stesso;

2. possibilità di rimediare agli errori di progettazione dovuti a cattiva conoscenza della temperatura dei fumi, con l’aggiunta o l’eliminazione di alcuni tubi, anche con rimpianto in esercizio;

3. possibilità di eseguire al bisogno o in maniera programmata la manutenzione ordinaria e la pulizia dello scambiatore mantenendo in tal modo l’efficienza dello scambio termico nel tempo;

4. grande flessibilità dell’impianto ai cambi di produzione.

5. minima sollecitazione meccanica, e quindi deformazione, dei tubi causata dalla dilatazione termica in quanto, contrariamente agli scambiatori tradizionali (che hanno l’ingresso e l’uscita dell’aria calda ai due estremi, rendendo praticamente impossibile la compensazione delle dilatazioni dei tubi), lo scambiatore oggetto della presente invenzione, che ha l’ingresso e l’uscita dell’aria dalla stessa parte, permette ai tubi stessi di dilatarsi liberamente.

Nella tabella che segue si riporta un esempio di dimensionamento di uno scambiatore tradizionale a confronto con uno progettato secondo la presente invenzione, sulla base di una portata fumi pari a 5.750 Nm<3>/h e di una portata aria pari a 5.250 Nm<3>/h.

Caratteristiche principali Scambiatore Scambiatore tradizionale secondo la presente invenzione Numero tubi 55 29 Diametro tubi mm 60,5 135

| Spessore tubi mm 3,65 3,65

I Peso tubi kg 2048 1971

I Diametro camino m 2,11 2,5 Altezza camino m 7,35 5,8 Diametro tubi interni mm 73 Spessore tubi interni mm 2

I Peso tubi interni kg 615

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore come da titolo dotato di tubi coassiali mobili.
2. 2. Scambiatore di calore come da 1, potendo il tubo interno dei tubi coassiali mobili essere parzialmente o totalmente coibentato termicamente. 4
3. 3. Scambiatore di calore come da 2. dotato di collegamento mobile ai tubi coassiali, a tenuta di aria fino alla pressione di 1500 mm di C. A.
4. 4. Scambiatore di calore come da 3. in cui i tubi coassiali sono collegati fra di loro in parte o totalmente.
5. 5. Scambiatore di calore come da 4. che può essere montato su camini di qualunque sezione.