ITVR20110142A1 - Dispositivo di riscaldamento alimentato a pellet, biomassa e simili - Google Patents

Description

“DISPOSITIVO DI RISCALDAMENTO ALIMENTATO A PELLET, BIOMASSA E SIMILI†.

CAMPO TECNICO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione riguarda un dispositivo di riscaldamento alimentato a pellet, biomassa e simili.

STATO DELLA TECNICA ANTERIORE

È noto che nei dispositivi di riscaldamento del tipo delle stufe e delle caldaie alimentate a pellet, biomassa, e simili, il controllo dell’aria primaria, o aria comburente, à ̈ determinante ai fini di una corretta combustione.

Attualmente nelle caldaie o nelle stufe di questo tipo, allo scopo di controllare l’apporto di aria primaria, à ̈ presente un ventilatore, azionato da un motore elettrico, che aspira i fumi prodotti dalla combustione, e che conseguentemente determina l’ingresso di aria comburente nella camera di combustione.

La velocità di rotazione del ventilatore di estrazione dei fumi à ̈ quindi criticamente legata alla qualità delle combustione che avviene all’interno della camera, in quanto un apporto scarso di aria comburente può favorire la generazione di ossido di carbonio (CO), mentre, al contrario, l’apporto eccessivo non favorisce il buon rendimento della combustione perché tende a raffreddare la fiamma.

Nei dispositivi di tipo noto, il controllo dell’aria primaria avviene sostanzialmente tramite tre diverse modalità operative.

La prima modalità di tipo noto consiste nel controllare ad anello aperto la velocità di rotazione del ventilatore di estrazione dei fumi impostandola su un valore - a tensione costante - predeterminato in fase di progettazione del sistema in funzione della quantità di combustibile immesso nel braciere.

Questa prima modalità presenta il vantaggio dell’estrema semplicità ed economicità costruttive, infatti il ventilatore non necessita dell’installazione di un dispositivo di rilevazione della velocità, quale un encoder. Lo svantaggio di questa prima modalità à ̈ invece costituito dal fatto che la velocità di rotazione del ventilatore ha una forte dipendenza dalla tensione di rete e dalle condizioni meccaniche di usura degli organi rotanti. Inoltre, non si ottiene nessuna garanzia sulla quantità d’aria fornita alla combustione in quanto il sistema ignora eventuali perdite di carico dovute ad esempio a modifiche e/o intasamenti del condotto di scarico o del braciere stesso.

La seconda modalità di tipo noto consiste nel controllare ad anello chiuso la velocità di rotazione del ventilatore di estrazione dei fumi impostandola su un valore - a numero di giri costante - predeterminato in fase di progettazione del sistema in funzione della quantità di combustibile immesso nel braciere.

Questa seconda modalità presenta il vantaggio della semplicità costruttiva e della certezza della velocità di rotazione del ventilatore, in ogni condizione operativa, con la possibilità di rilevare eventuali differenze di velocità tra il valore impostato e quello misurato, generando quindi eventuali segnali di allarme. Vi à ̈ però anche qui lo svantaggio costituito dal fatto che non si ottiene nessuna garanzia sulla quantità d’aria fornita alla combustione, in quanto il sistema ignora eventuali perdite di carico dovute ad esempio a modifiche e/o intasamenti del condotto di scarico o del braciere stesso.

La terza modalità di tipo noto consiste nel controllare ad anello chiuso la velocità di rotazione del ventilatore di estrazione dei fumi misurando la velocità dell’aria comburente in ingresso mediante un debimetro o un anemometro posto lungo il condotto di aspirazione, impostando così una condizione di velocità o portata d’aria costante predeterminata in fase di progettazione del sistema in funzione della quantità di combustibile immessa nel braciere.

Questa terza modalità presenta il vantaggio di fornire dati certi sulla quantità di aria comburente alimentata nella combustione. Inoltre questa modalità di controllo à ̈ indipendente da eventuali perdite di carico dovute, ad esempio, a modifiche e/o intasamenti del condotto di scarico o del braciere stesso.

Gli svantaggi di quest’ultima modalità sono invece costituiti da inconvenienti di funzionamento dei dispositivi di misurazione della velocità dell’aria comburente in ingresso. In particolare, nel caso di impiego di un anemometro, essendo quest’ultimo costituito da un dispositivo meccanico a ventola rotante, si possono avere usure molto penalizzanti oppure blocchi dovuti a sporco accumulato, che impongono frequenti interventi di pulizia e/o sostituzione di parti.

Nel caso, invece, di impiego di un debimetro, ad esempio del tipo a film caldo, si osserva che esso ha una precisione piuttosto limitata anche a causa dello sporco accumulato, quindi richiede una pulizia molto frequente. Inoltre esso à ̈ molto sensibile alla temperatura dell’aria di cui si deve misurare la velocità: in altre parole, esso risente molto delle condizioni ambientali esterne.

SCOPI DELL’INVENZIONE

Il compito tecnico della presente invenzione à ̈ quindi quello di migliorare lo stato della tecnica, mettendo a punto un dispositivo di riscaldamento alimentato a pellet, biomassa e simili in cui la quantità di aria primaria immessa nella camera di combustione possa essere controllata in modo più preciso ed accurato rispetto a quanto avviene nei dispositivi di tipo noto. Nell’ambito di tale compito tecnico, costituisce uno scopo della presente invenzione realizzare un dispositivo di riscaldamento alimentato a pellet, biomassa e simili nel quale il controllo di tale aria primaria possa avvenire in modo ottimale indipendentemente dalle condizioni ambientali esterne. Ancora uno scopo della presente invenzione à ̈ quello di mettere a punto un dispositivo di riscaldamento alimentato a pellet, biomassa e simili che comporti un minore impegno di manutenzione rispetto ai dispositivi di tipo noto.

Questo compito e questi scopi vengono raggiunti dal dispositivo di riscaldamento alimentato a pellet, biomassa e simili secondo la allegata rivendicazione 1.

Il dispositivo di riscaldamento secondo l’invenzione comprende, nella camera di combustione, e precisamente nel suo vano braciere, un trasduttore di pressione differenziale che rileva la differenza di pressione tra tale zona del dispositivo e la pressione ambiente, così da calcolare la portata di aria comburente in ingresso e regolare conseguentemente la velocità di rotazione del ventilatore di aspirazione dei fumi.

In questo modo si rende il controllo del dispositivo indipendente dalle condizioni ambientali, ed in grado di gestire con precisione la quantità di aria introdotta nella camera di combustione.

Ulteriori vantaggiose caratteristiche sono descritte nelle rivendicazioni dipendenti.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI.

Le caratteristiche dell’invenzione saranno meglio comprese da ogni tecnico del ramo dalla descrizione che segue e dall’annessa tavola di disegni, dati quale esempio non limitativo, nei quali:

la figura 1 Ã ̈ una sezione, secondo un piano verticale, del dispositivo di riscaldamento secondo la presente invenzione;

la figura 2 Ã ̈ uno schema a blocchi del sistema di controllo del dispositivo di riscaldamento secondo la presente invenzione.

FORME DI ATTUAZIONE DELL’INVENZIONE.

Con riferimento alla figura 1 allegata, Ã ̈ indicato complessivamente con 1 un dispositivo di riscaldamento alimentato a pellet, biomassa o simili secondo la presente invenzione.

In particolare, nella forma di attuazione illustrata nella figura 1, il dispositivo di riscaldamento secondo l’invenzione à ̈ costituito da una stufa alimentata a pellet, per il riscaldamento di qualsiasi ambiente.

Il dispositivo di riscaldamento secondo l’invenzione potrebbe essere costituito, in alternativa, da una stufa alimentata a biomassa, oppure con altro equivalente combustibile.

Oppure, in altre forme di attuazione, il dispositivo di riscaldamento potrebbe essere costituito da una caldaia alimentata a pellet, biomassa o altro equivalente combustibile, senza alcuna limitazione agli scopi della presente invenzione.

Il dispositivo di riscaldamento della forma di attuazione della figura 1, quindi, ovvero una stufa a pellet, comprende un’intelaiatura di supporto, indicata complessivamente con 2.

L’intelaiatura di supporto 2 à ̈ del tipo di per sé noto nel settore e non verrà nel prosieguo ulteriormente descritta.

Il dispositivo 1 comprende inoltre una camera di combustione 3, incorporata nell’intelaiatura di supporto 2.

La camera di combustione 3 comprende, in modo di per sé noto, un vano braciere 4, previsto nella sua parte inferiore.

Il dispositivo di riscaldamento 1 comprende mezzi di alimentazione del combustibile, indicati complessivamente con 5, nella camera di combustione 3. I mezzi di alimentazione 5 comprendono, a solo titolo di esempio, una tramoggia 6 associata ad una coclea 7 ascendente, azionata da un relativo gruppo motoriduttore 8.

Come noto, l’impiego di una coclea 7 ascendente per alimentare il combustibile impedisce che la fiamma della camera di combustione 3 raggiunga accidentalmente la tramoggia 6.

Il canale 9 in cui à ̈ mobile la coclea 7 sfocia in un’apertura laterale 10 della camera di combustione 3, attraverso la quale viene alimentato il combustibile. Il dispositivo di riscaldamento 1 comprende un condotto di ingresso 11 per l’aria comburente nella camera di combustione 3.

Il condotto di ingresso 11 Ã ̈ disposto ad esempio orizzontalmente e sfocia in corrispondenza del vano braciere 4 della camera di combustione 3.

Il dispositivo di riscaldamento 1 comprende inoltre un condotto di scarico 12 dei fumi prodotti nella camera di combustione 3.

Come illustrato nella figura 1, il condotto di scarico 12 si sviluppa a partire da una apertura superiore 13 della camera di combustione 3, in corrispondenza della quale à ̈ prevista una zona di scambio termico 14 con mezzi di generazione di una corrente fluida riscaldata 15 da inviare alle utenze, non rappresentate, in modo di per sé noto nel settore.

Il condotto di scarico 12 prosegue poi verso la base dell’intelaiatura di supporto 2 del dispositivo, per poi sfociare all’esterno lateralmente.

I mezzi di generazione di una corrente fluida riscaldata 15 comprendono, ad esempio, mezzi ventilatori 16 comunicanti con un condotto ascendente 17, il quale termina in prossimità di un’apertura di uscita 18 della corrente riscaldata.

Come visibile in figura 1, il condotto ascendente 17 à ̈ lambito dai fumi caldi che escono dalla camera di combustione 3 e che si dirigono verso il condotto di scarico 12, così da cedere calore alla corrente fluida che attraversa il condotto ascendente 17 medesimo.

Si fa notare che, in altre forme di attuazione alternative, la corrente fluida riscaldata potrebbe essere costituita da acqua trasportata da mezzi di pompaggio, o da altro fluido equivalente, senza alcuna limitazione agli scopi della presente invenzione.

Il dispositivo di riscaldamento 1 comprende un ventilatore di aspirazione dei fumi 19, previsto lungo il condotto di scarico 12.

Il ventilatore di aspirazione dei fumi 19, più in dettaglio, à ̈ montato, ad esempio, in corrispondenza del gomito conformato dal condotto di scarico 12 alla base dell’intelaiatura di supporto 2.

Il dispositivo di riscaldamento 1 comprende altresì una centralina di controllo 20 del funzionamento complessivo del dispositivo stesso.

La centralina di controllo 20 à ̈, prettamente dal punto di vista degli elementi che la compongono, del tipo essenzialmente noto nel settore, mentre presenta modalità di funzionamento innovative che verranno meglio descritte nel prosieguo della presente descrizione.

Secondo un aspetto della presente invenzione, il dispositivo di riscaldamento 1 comprende almeno un trasduttore di pressione 21, atto a rilevare la pressione all’interno della camera di combustione 3, come meglio chiarito nel prosieguo.

Il trasduttore di pressione 21 Ã ̈ operativamente collegato alla centralina di controllo 20.

Più nel dettaglio, il trasduttore di pressione 21 à ̈ di tipo differenziale, cioà ̈ atto a rilevare una differenza di pressione, anche lieve, tra due ambienti diversi, con i vantaggi tecnici che risulteranno evidenti in seguito.

Il trasduttore di pressione 21 ha un primo ingresso 22 posto all’interno della camera di combustione 3.

Il trasduttore di pressione 21 ha altresì un secondo ingresso 23 comunicante con l’ambiente esterno, cioà ̈ tale da rilevare la pressione atmosferica.

Vantaggiosamente, il primo ingresso 22 del trasduttore di pressione 21 Ã ̈ posto nel vano braciere 4 della camera di combustione 3.

Il primo ingresso 22 à ̈ previsto in una posizione opportunamente scelta, nel vano braciere 4, in cui siano minimizzati gli effetti delle turbolenze generate dal passaggio dell’aria. Più in particolare, il primo ingresso 22 à ̈ posizionato sotto il braciere, quindi in una posizione tale da rilevare la pressione generata dall’effetto di aspirazione dell’aria, ma prima che il flusso passi attraverso le braci.

L’impiego di un trasduttore di pressione 21 di tipo differenziale à ̈ convenientemente stato scelto in base alle considerazioni che seguono.

Per effetto della depressione generata dal ventilatore di aspirazione dei fumi 19, la pressione P1 nel vano braciere 4 Ã ̈ inferiore alla pressione ambiente P0.

La soluzione dell’equazione di Bernoulli applicata al sistema costituito dal condotto di ingresso 12 e dal vano braciere 4, in forma approssimata, porta alla seguente definizione della velocità dell’aria in ingresso, cioà ̈ l’aria comburente o primaria:

V=√((P0-P1)*K) ;K à ̈ una costante che dipende dalla conformazione meccanica del sistema. ;Da questa relazione, si evidenzia il fatto che la velocità dell’aria comburente à ̈ proporzionale alla differenza tra la pressione P0 ambiente e la pressione P1 misurata nel vano braciere 4. ;In conseguenza di ciò, à ̈ possibile determinare la portata Q d’aria comburente semplicemente moltiplicando il valore della velocità V per la superficie S del condotto di ingresso 12, cioà ̈: ;;Q=V*S

Ecco, quindi, che il segnale di pressione ∆P=P0-P1 generato dal trasduttore di pressione 21 consente di ottenere, istante per istante, un’indicazione corretta e precisa della portata di aria comburente in ingresso nel dispositivo di riscaldamento 1.

Pertanto, il trasduttore di pressione 21 provvede ad inviare alla centralina di controllo 20 il suddetto segnale di pressione ∆P proporzionale alla differenza di pressione (P0-P1) tra la camera di combustione 3 – zona vano braciere 4 - e l’ambiente esterno, cioà ̈ in altre parole un segnale rappresentativo della pressione relativa del vano braciere 4.

La centralina di controllo 20, a sua volta, provvede ad inviare al ventilatore di aspirazione dei fumi 19 - ed in particolare al sistema di azionamento del suo motore, non rappresentato nelle figure - un segnale di controllo SC atto a mantenere costante la differenza di pressione tra la camera di combustione 3 e l’ambiente esterno – cioà ̈ la pressione relativa della camera di combustione 3 - così da ottenere un valore di portata Q ottimale per la combustione all’interno del dispositivo di riscaldamento 1.

Più in dettaglio, il segnale di controllo SC del ventilatore di aspirazione dei fumi 19 à ̈ generato da un sistema di controllo ad anello chiuso di tipo PID, rappresentato schematicamente nella figura 2 ed indicato complessivamente con 24.

Come noto, il sistema di controllo di tipo PID 24 comprende una componente proporzionale 25, una componente integrale 26 ed una componente derivativa 27.

La componente derivativa 27 del sistema di controllo ad anello chiuso di tipo PID 24 del segnale di controllo SC à ̈ nulla, in quanto si à ̈ rilevato che in questa applicazione non à ̈ in grado di apportare miglioramenti sensibili.

Il sistema di controllo PID 24, quindi, ha come parametri in ingresso il segnale di pressione ∆P – rappresentativo cioà ̈ della pressione relativa all’interno della camera di combustione 3 - generata dal trasduttore di pressione 21, ed un valore di pressione imposto PI in funzione della quantità di combustibile immesso nel dispositivo di riscaldamento 1.

Il sistema di controllo PID 24 calcola quindi la differenza tra il segnale di pressione ∆P ed il valore di pressione imposto PI, generando così un segnale di errore E.

Il sistema di controllo PID 24 provvede poi a moltiplicare il segnale di errore E per una prima costante, generando così la componente proporzionale 25.

Il sistema di controllo PID 24 calcola inoltre l’integrale nel tempo del segnale di errore E, e lo moltiplica per una seconda costante, così da generare la componente integrale 26.

Infine, il sistema di controllo PID 24 somma la componente proporzionale 25 alla componente integrale 26, così da generare il suddetto segnale di controllo SC del ventilatore di aspirazione dei fumi 19, il cui azionamento, come detto, genera la depressione all’interno della camera di combustione 3 misurata come segnale di pressione ∆P rappresentativo della pressione relativa.

Il segnale di controllo SC del ventilatore di aspirazione dei fumi 19 à ̈ inoltre generato, opportunamente, con aggiunta di un fattore correttivo che tiene conto dell’altitudine del sito di installazione del dispositivo di riscaldamento 1.

Più in dettaglio, il sistema di controllo di tipo PID 24 descritto consente di mantenere costante la velocità V dell’aria comburente in ingresso, ma non à ̈ in grado di fornire alcuna garanzia sulla quantità di ossigeno effettivamente introdotta.

Il fattore correttivo da introdurre può essere determinato, ad esempio, in base alla tabella seguente:

Altitudine Pressione Ossigeno (mbar)

0 159

1000 141

2000 125

3000 110

4000 97

Il funzionamento del dispositivo di riscaldamento secondo la presente invenzione à ̈, alla luce di quanto descritto, del tutto intuitivo.

Il dispositivo di riscaldamento 1 funziona in modo assolutamente tradizionale ma, come detto, presenta invece un innovativo sistema di controllo della velocità di rotazione del ventilatore di aspirazione dei fumi 19, che opera in relazione ai valori rilevati di pressione relativa del vano braciere 4 della camera di combustione 3.

L’invenzione, così concepita, consente di ottenere importanti vantaggi tecnici.

La portata di aria comburente in ingresso nella camera di combustione 3 Ã ̈ mantenuta costante indipendentemente dalle caratteristiche dei condotti interessati, ed indipendentemente anche dalle perdite di carico variabili che si possono verificare anche a causa della presenza nel braciere di combustibile incombusto o di braci.

Inoltre, il sistema di controllo della quantità di aria in ingresso nella camera di combustione 3 opera indipendentemente dalla pressione ambientale e dalla quantità di aria apportata alla combustione.

Il sistema di controllo à ̈ inoltre indipendente dalla temperatura dell’aria in ingresso.

Il sistema à ̈ inoltre esente da varie problematiche dovute al deterioramento del trasduttore di pressione 21, che come detto non à ̈ esposto al passaggio diretto dell’aria.

Il sistema di controllo PID 24 così come descritto ha tempi di risposta molto brevi, grazie anche alla elevata velocità di rilevazione della pressione da parte del trasduttore di pressione 21. Ad esempio, à ̈ possibile rilevare immediatamente l’apertura dello sportello della camera di combustione, o altri simili fenomeni.

Un altro importante vantaggio à ̈ costituito dal fatto che à ̈ possibile eliminare il misuratore del numero di giri del ventilatore di aspirazione dei fumi 19, cioà ̈ l’encoder, con conseguente notevole risparmio in termini di costi.

Dal punto di vista del settaggio generale del funzionamento del dispositivo, per ogni livello di potenza calorica prodotta non à ̈ più necessario introdurre la tensione di alimentazione del motore del ventilatore di aspirazione dei fumi 19 o, nel caso in cui sia presente un encoder, il numero di giri al minuto del motore, bensì à ̈ sufficiente indicare la pressione della camera di combustione 3. Ciò risulta più semplice ed intuitivo per i costruttori di stufe e caldaie.

L’eventuale intasamento o il blocco dei condotti di ingresso 11 e di scarico 12 del dispositivo di riscaldamento 1 viene immediatamente rilevato ogniqualvolta la pressione misurata si allontana dal valore impostato PI, oppure esce da un certo intervallo predefinito.

Infine, il controllo del funzionamento del dispositivo à ̈ totalmente indipendente dalle condizioni ambientali, compresa l’altitudine del sito di installazione.

Si à ̈ così visto come l’invenzione raggiunge gli scopi proposti.

La presente invenzione à ̈ stata descritta secondo forme preferite di realizzazione, ma varianti equivalenti possono essere concepite senza uscire dall'ambito di protezione offerto dalle rivendicazioni che seguono.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di riscaldamento alimentato a pellet, biomassa e simili, comprendente un’intelaiatura di supporto (2), una camera di combustione (3) incorporata in detta intelaiatura di supporto (2), mezzi di alimentazione del combustibile (5) in detta camera di combustione (3), almeno un condotto di ingresso (11) per l’aria comburente in detta camera di combustione (3), almeno un condotto di scarico (12) dei fumi prodotti in detta camera di combustione (3), un ventilatore di aspirazione dei fumi (19) previsto lungo detto condotto di scarico (12), una centralina di controllo (20) del funzionamento del dispositivo, caratterizzato dal fatto che comprende almeno un trasduttore di pressione (21) atto a rilevare la pressione all’interno di detta camera di combustione (3) ed operativamente collegato a detta centralina di controllo (20).
2. 2. Dispositivo di riscaldamento secondo la rivendicazione 1, in cui detto trasduttore di pressione (21) Ã ̈ di tipo differenziale.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detto trasduttore di pressione (21) ha un primo ingresso (22) posto in detta camera di combustione (3) ed un secondo ingresso (23) comunicante con l’ambiente esterno.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detto primo ingresso (22) di detto trasduttore di pressione (21) à ̈ posto sotto il braciere (4) di detta camera di combustione (3), in posizione tale da rilevare la pressione generata dall’effetto di aspirazione dell’aria, ma prima che il flusso passi attraverso le braci.
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detto trasduttore di pressione (21) à ̈ atto ad inviare a detta centralina di controllo (20) un segnale di pressione (∆P) proporzionale alla differenza di pressione tra detta camera di combustione (3) e l’ambiente esterno.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui detta centralina di controllo (20) à ̈ atta ad inviare a detto ventilatore di aspirazione dei fumi (19) un segnale di controllo (SC) atto a mantenere costante detta differenza di pressione (∆P) tra detta camera di combustione (3) e l’ambiente esterno.
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, in cui detto segnale di controllo (SC) di detto ventilatore di aspirazione dei fumi (19) Ã ̈ generato da un sistema di controllo ad anello chiuso di tipo PID (24).
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui la parte derivativa (27) di detto sistema di controllo ad anello chiuso di tipo PID (24) Ã ̈ nulla.
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui detto segnale di controllo (SC) di detto ventilatore di aspirazione dei fumi (19) à ̈ generato da un sistema di controllo ad anello chiuso di tipo PID (24) con aggiunta di un fattore correttivo che tiene conto dell’altitudine del sito di installazione.
10. 10. Metodo di controllo della velocità di rotazione del ventilatore di aspirazione dei fumi (19) di un dispositivo di riscaldamento (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 9, caratterizzato dal fatto che comprende le fasi di rilevare la pressione ambiente e la pressione all’interno di detta camera di combustione (3) e calcolarne la differenza come segnale di pressione (∆P); calcolare la differenza tra detto segnale di pressione (∆P) ed un valore di pressione imposto (PI) in funzione della quantità di combustibile immesso nel dispositivo di riscaldamento (1), generando così un segnale di errore (E); moltiplicare detto segnale di errore (E) per una prima costante, generando così una componente proporzionale (25); calcolare l’integrale nel tempo di detto segnale di errore (E), e moltiplicarlo per una seconda costante così da generare una componente proporzionale (25); sommare detta componente proporzionale (25) e detta componente integrale (26), così da generare un segnale di controllo (SC) di detto ventilatore di aspirazione dei fumi (19).