IT9085622A1 - Testa di combustione per bruciatori a gas - Google Patents

Description

Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente titolo: "TESTA DI COMBUSTIONE PER BRUCIATORI A GAS".

DESCRIZIONE

L'invenzione concerne la realizzazione di una testa di combustione particolarmente adatta ad essere impiegata per la combustione di gas.

E' noto che nei bruciatori applicati alle caldaie la combustione del gas combustibile miscelato all'aria comburente avviene tramite una testa di combustione.

Uno dei problemi piu' rilevanti che le teste di combustione presentano dal punto di vista dell'impatto ambientale in considerazione dell'inquinamento che esse provocano e' l'immissione in atmosfera degli ossidi di azoto che si producono durante il funzionamento.

Gli studi effettuati hanno permesso di stabilire, che, a parità' di alte condizioni la maggiore produzione di ossidi di azoto si riscontra quando la combustione avviene con il rapporto ottimale tra aria e combustibile. Quando viceversa la combustione viene effettuata con eccesso d'aria oppure con difetto d'aria, si riscontra un sostanziale abbattimento degli ossidi di azoto prodotti. Sfruttando tale concetto uno dei metodi piu' usati per l'abbattimento degli ossidi di azoto consiste nello dividere la combustione frazionando la fiamma in due parti ove in una parte la combustione avviene con difetto d'aria mentre nell'altra la combustione avviene con eccesso d'aria.-Successivamente,una miscelazione dei prodotti della combustione che e' avvenuta con difetto d'aria assieme ai prodotti della combustione che e' avvenuta con eccesso d'aria, unitamente ad una ulteriore combustione dei primi cosi'miscelati, realizza una situazione finale dei prodotti della combustione che globalmente risulta pari a quella che si sarebbe realizzata effettuando una combustione in condizioni ottimali. Il vantaggio che si ottiene e' appunto quello di ridurre la percentuale di ossidi di azoto immessi in atmosfera con i prodotti della combustione.

Le realizzazioni note di teste di combustione in cui la riduzione degli ossidi di azoto avviene frazionando 1 fronte di fiamma, presentano l'inconveniente di una notevole complessità' costruttiva e quindi un elevato aumento del costo di realizzazione della testa dovuto alla presenza di una pluralità' di condotti atti a realizzare il frazionamento della fiamma descritta. La presenza di tali canalizzazioni all'interno della testa di combustione comporta anche l'inconveniente di creare nella testa di combustione medesima elevate perdite di carico sul lato gas che comportano un abbassamento delle potenzialità'della testa di combustione quando la pressione del gas in rete e'bassa.

In taluni casi non e' possibile effettuare il ricircolo dei gas combusti internamente alla testa di combustione e si e' quindi costretti ad effettuarla all'esterno. Ciò' avviene ricircolando una percentuale di gas combusti (circa un 20-30%) prelevandoli dal camino e reimmettendoli all'interno della testa di combustione attraverso un ventilatore. Anche tale sistema, comunque, presenta una complessità' realizzativa ed un conseguente costo piuttosto elevato.

Un ulteriore inconveniente delle teste di combustione a gas di tipo noto e' costituito dal valore del rapporto di modulazione realizzabile, ovvero del rapporto fra la potenza minima e la potenza massima che la testa di combustione può' fornire, mantenendo ottimali i parametri di combustione sia dal punto di vista delle emissioni che della stabilita' di combustione. E' noto che nelle teste di combustione a gas reperibili sul mercato il rapporto di modulazione può' arrivare al massimo ad un valore di circa 1:10 e questo valore e' raggiunto unicamente per realizzazioni particolarmente accurate.

Un altro inconveniente delle teste di combustione a gas di tipo noto e' la lunghezza della fiamma che può' presentare un notevole sviluppo in direzione assiale. Soprattutto quando si vogliono realizzare alte potenze di combustione e' necessario sviluppare all'interno della testa pressioni tali da creare una fiamma particolarmente lunga che può' recare danni alla caldaia nei casi in cui quest'ultima presenti una camera di combustione non eccessivamente lunga, e ciò'perche’ la fiamma va a toccare il fondo della camera di combustione stessa.

Non ultimo inconveniente e’costituito dal fatto che nelle teste di combustione a gas di tipo noto la stabilizzazione della fiamma deve essere realizzata mediante stabilizzatori meccanici oppure mediante condotti privilegiati che forzano in maniera meccanica il campo di moto della fiamma stessa. E' evidente che ciò' comporta un ulteriore incremento delle perdite di carico, un incremento del costo di realizzazione ed un aumento delle difficolta' realizzative della testa di combustione.

E’ scopo della presente invenzione eliminare gli inconvenienti citati realizzando una testa di combustione a gas la quale, a parità' di prestazioni rispetto a teste di combustione a gas note raggiunga i seguenti scopi:

- realizzi minori emissioni di ossidi di azoto e di anidride; - realizzi minori perdite di carico sul lato gas;

- realizzi rapporti di modulazione piu' elevati;

- consenta una riduzione della lunghezza assiale della fiamma. Gli scopi descritti ed altri che verranno meglio evidenziati in seguito sono raggiunti mediante la realizzazione di una testa di combustione di un bruciatore a gas che in accordo con la rivendicazione principale e' alimentata da un gruppo soffiante collegato ad un corpo tubolare esterno tramite una flangia collettrice di convogliamento dell'aria comburente e comprendente :

- un condotto tubolare interno disposto coassiale internamente al corpo tubolare esterno e fissato ad una flangia collettrice in cui viene convogliata una miscela combustibile aria-gas, oppure gas;

- distributori di uscita della miscela combustibile aria-gas, oppure gas disposti nella parte anteriore del condotto tubolare interno;

- un corpo tubolare intermedio, coassiale sia al corpo tubolare esterno, sia al condotto tubolare interno e compreso nella loro intercapedine, fissato tramite mezzi meccanici che ne consentono la regolazione della posizione in direzione assiale;

- almeno un elemento di accensione della fiamma,

ed e’ caratterizzata dal fatto che i distributori di uscita dal condotto tubolare interno della miscela combustibile ariagas, oppure gas, sono intercapedini anulari perpendicolari all'asse del corpo tubolare interno formate da anelli e/o dischi coassiali fra loro e fra loro collegati tramite distanziali e/o tramite almeno un tronchetto tubolare.

Secondo una preferita forma di esecuzione i distributori risultano sporgenti assialmente rispetto all’estremità' del corpo tubolare esterno e sono suddivisi in due ordini di cui un ordine intermedio, ove si realizza una combustione in eccesso d'aria, formato da una coppia di distributori realizzati in corrispondenza della zona di unione fra l'estremità' anteriore del condotto tubolare interno e l'estremità' posteriore di un tronchetto tubolare, ed un ordine di estremità', ove si realizza una combustione in difetto d'aria, formato da un unico distributore realizzato in corrispondenza dell'estremità' anteriore del tronchetto tubolare medesimo.

Vantaggiosamente tramite la realizzazione della testa di combustione dell'invenzione si realizza un minor inquinamento da ossidi di azoto e date le basse perdite di carico che la testa presenta essa può' essere usata anche qualora in rete ci siano basse pressioni del gas.

Un altro vantaggio consiste nella possibilità' di realizzare bruciatori aventi maggiore flessibilità' di impiego dovuta al piu’ elevato rapporto di modulazione che la testa di combustione dell'invenzione permette di realizzare.

Inoltre l'assenza di organi meccanici interni alla testa per realizzare la frantumazione del fronte di fiamma consente di realizzare una testa di combustione piu'economica.

Un ulteriore vantaggio e' costituito dal fatto che la particolare conformazione radiale dei distributori permette di realizzare una fiamma sviluppata in senso radiale per cui la testa può'essere utilmente impiegata per fornire potenze di combustione elevate anche in caldaie presentanti una lunghezza della camera di combustione piuttosto contenuta.

La testa di combustione realizzata secondo gli insegnamenti dell'invenzione presenta anche il vantaggio di poter essere convenientemente usata nei riscaldatori di ambienti sempre a causa della disposizione essenzialmente radiale della fiamma. Gli scopi ed i vantaggi descritti verranno meglio evidenziati durante la descrizione di una preferita forma di esecuzione dell'invenzione data a titolo indicativo, ma non limitativo rappresentata nelle allegate tavole di disegno ove:

- in fig. 1 si osserva la testa di combustione dell'invenzione applicata ad un gruppo bruciatore;

- in fig. 2 si osserva in vista assonometrica l'ingrandimento relativo alla testa di combustione di fig. 1;

- in fig. 3 si osserva in sezione longitudinale la testa di combustione dell'invenzione;

- in fig. 4 si osserva in sezione longitudinale ingrandita il particolare relativo ai distributori radiali della testa di combustione.

Come si osserva in fig. 1 la testa di combustione a gas dell'invenzione, indicata complessivamente con 1, e' costituita da un corpo tubolare esterno 2 che e' collegato al gruppo soffiante 3 di un bruciatore, indicato complessivamente con 4, tramite una flangia collettrice 5. Internamente al corpo tubolare esterno 2 si osserva in fig. 2 e in fig.3 che e' disposto coassiale un condotto tubolare interno 6 il quale risulta fissato alla flangia collettrice 5 tramite un manicotto angolare 7 applicato alla sua estremità' posteriore 16. Infine, coassiale e compreso tra il corpo tubolare esterno 2 e il condotto tubolare interno 6, e'presente il corpo tubolare intermedio 8 che e'fissato alla flangia collettrice 5 tramite mezzi,meccanici di unione, per esempio viti 9, che permettono-di registrarne la posizione lungo la direzione dell'asse longitudinale 10 della testa di combustione 1.

Attraverso l'apertura posteriore 11 della flangia collettrice 5 viene introdotta aria comburente 12 all'interno del corpo tubolare intermedio 8. Inoltre, attraverso l'apertura 13 praticata nella parte inferiore della flangia collettrice 5 e comunicante con l'interno del manicotto angolare 7, viene introdotta nel condotto tubolare interno 6 una miscela 14 di aria-gas oppure anche di solo gas.

Nella parte anteriore del condotto tubolare interno 6, come si osserva in fig. 2, in fig. 3 ed anche nel particolare ingrandito di fig. 4, e’presente un tronchetto tubolare 40. Il tronchetto tubolare 40 presenta un'estremità'posteriore 41 alla quale e' fissato un disco anulare 36 ed una estremità' anteriore 42 alla quale e' fissata tramite distanziale 24 un disco circolare 23. Il disco anulare 36 del tronchetto 40 e' a sua volta fissato ad un ulteriore disco anulare 35 collegato a sua volta all'estremità' anteriore 17 del condotto tubolare interno 6, tramite distanziali 53 e viti di unione 33 con l'interposizione fra detti dischi anulari 35 e 36 in un disco anulare intermedio 32.

Si vengono in tale modo a realizzare due intercapedini anulari che formano i distributori attraverso i quali dal condotto tubolare interno 6 esce la miscela aria-gas, oppure il gas, che miscelandosi'ulteriormente all'aria comburente proveniente dal corpo tubolare intermedio 8 da luogo alla fiamma.

In particolare fra il disco anulare intermedio 32 ed il disco anulare 35 appartenente al condotto tubolare interno 6 si realizza il distributore 31 mentre fra il disco anulare intermedio 32 ed il disco anulare 36 appartenente al tronchetto 40 si realizza il distributore 51.

Invece fra l'estremità' anteriore 42 del tronchetto 40 ed il disco circolare 23 si realizza il distributore 21 che costituisce l'ordine di distributori di estremità' 20.

Si fa presente comunque che ogni ordine di distributori può' essere formato da uno o piu'distributori.

Tale miscela aria-gas, oppure il gas 14, che entra nel condotto tubolare interno 6, fuoriesce attraverso i distributori 31, 51 e 21 e si miscela con l'aria comburente 12 che fluisce attraverso il corpo tubolare intermedio 8 dando luogo alla combustione che viene innescata dall'elemento di accensione 15.

In base alla particolare configurazione descritta in cui i distributori 31, 51 e 21 della testa di combustione sono disposti in due ordini rispettivamente 30 e 20 fra loro distanziati assialmente dal tronchetto 40, il fronte di fiamma si fraziona generando due zone di combustione fra loro differenziate, ove in una zona avviene una combustione con eccesso d’aria mentre nell'altra zona avviene una combustione con difetto d'aria. In particolare in corrispondenza dell'ordine dei distributori intermedi 30 avviene una combustione in eccesso d'aria mentre in corrispondenza dell'ordine dei distributori di estremità' 20 avviene una combustione con difetto d'aria. I prodotti della combustione che avviene in eccesso d'aria, la cui direzione di flusso e' indicata dalla freccia 44, vengono posti in ricircolazione secondo l'andamento indicato dalla freccia 44 e mescolati successivamente con i prodotti della combustione che avviene in difetto d'aria, la cui direzione di flusso e' indicata dalla freccia 25. I prodotti della combustione che e'avvenuta in difetto d'aria subiscono quindi una ulteriore combustione per cui il processo di combustione, a combustione conclusa, si trova nelle medesime condizioni in cui si troverebbe se fosse avvenuto nelle condizioni di rapporto stechiometrico. Vantaggiosamente pero1, a causa del frazionamento del fronte di fiamma, la quantità' di ossidi di azoto presente e' notevolmente piu'bassa.

Il flusso di aria 45 in uscita dal corpo tubolare intermedio 8 interno al corpo tubolare esterno 2, e' regolabile variando opportunamente la posizione assiale lungo l'asse 10 del corpo tubolare intermedio 8 in maniera da variarne la distanza 43 dall'estremità'di uscita del corpo tubolare esterno 2.

In base a quanto descritto si e'visto quindi come la testa di combustione.dell'invenzione realizza la suddivisione del fronte di fiamma ed una successiva ricircolazione con completamento della combustione realizzando in tale maniera un sensibile abbassamento dei valori di ossidi di azoto nei fumi di scarico.

Si e' descritto come i distributori 31, 51 e 21 siano formati affacciando coassialmente gli anelli 35 e 36 ad un anello intermedio 32 compreso fra i due citati ed affacciando frontalmente all'estremità' anteriore 42 del tronchetto 40 un disco 23 ad esso coassiale. Si comprende che tali distributori generano basse perdite di carico al flusso della miscela ariagas oppure del gas che vi fluisce e che proviene dal condotto tubolare interno 6 per cui la testa a gas dell'invenzione raggiunge anche lo scopo di realizzare nella zona gas perdite di carico minori rispetto a teste combustibili aventi pari caratteristiche ed in cui la combustione avviene con suddivisione del fronte di fiamma.

Prove sperimentali hanno permesso inoltre anche di verificare che con la testa combustibile dell'invenzione si realizzano rapporti di modulazione molto piu' alti rispetto ai rapporti di modulazione realizzabili con teste combustibili equivalenti presenti nel mercato. In particolare si e' detto nell'introduzione che i rapporti di modulazione realizzabili con le teste combustibili di tipo noto raggiungono al massimo un valore di 1:10. Con la testa di combustione dell'invenzione si realizzano invece rapporti di modulazione che arrivano al valore di 1:20 e ciò'a tutto vantaggio di una maggior flessibilità'di impiego della testa medesima.

Durante la descrizione e' stato spiegato che il flusso 34 e 25 in uscita dai distributori 31, 51 e 21, genera una fiamma che presenta uno sviluppo sostanzialmente radiale localizzato in corrispondenza della zona compresa tra i due ordini 20 e 30 di distributori. Qualora per necessita' dell'utilizzatore si debbano aumentare le pressioni di combustione al fine di aumentare la potenza della caldaia, si ha un incremento della dimensione radiale della fiamma e non, come succede nelle teste di combustione di tipo noto, un aumento della sua lunghezza assiale. Ciò' consente il vantaggio di poter impiegare la testa di combustione dell'invenzione, a parità' di potenza, su caldaie aventi la camera di combustione con scarso sviluppo in direzione assiale senza creare inconvenienti alla camera di combustione medesima.

La testa di combustione dell'invenzione presenta quindi, come già' detto, il vantaggio di un minore inquinamento, la possibilità'di essere impiegata anche con basse pressioni del gas in rete, maggior flessibilità'di impiego ed anche una maggior semplicità' di esecuzione con un conseguente minor costo di realizzazione.

Vantaggiosamente inoltre la testa di combustione dell'invenzione presentando una fiamma a sviluppo sostanzialmente radiale, può' essere utilmente impiegata nella realizzazione di riscaldatori di ambienti per il riscalmento di magazzini, di stanze di essicamento od altro. In fase di esecuzione alla testa di combustione dell’invenzione potranno essere apportate modifiche riguardanti l'esecuzione di alcune sue specifiche parti costruttive. Cosi' per esempio i distributori presenti in ogni ordine possono essere uno o piu' a seconda delle esigenze costruttive o di funzionamento della testa. Si intende comunque che dette eventuali varianti esecutive si debbono intendere protette dalla presente invenzioni.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1) Testa di combustione di un bruciatore a gas alimentata da un gruppo soffiante (3) collegato ad un corpo tubolare esterno (2) tramite una flangia collettrice (5) di convogliamento dell'aria comburente (12) e comprendente: - un condotto tubolare interno (6), disposto coassiale internamente al corpo tubolare esterno (2) e fissato ad una flangia collettrice (5) e in cui viene convogliata una miscela combustibile aria-gas oppure gas (14); - distributori (51,31,21) di uscita della miscela combustibile aria-gas oppure gas (14) disposti nella parte anteriore del condotto tubolare interno (6); - un corpo tubolare intermedio (8), coassiale sia al corpo tubolare esterno (2) sia al condotto tubolare interno (6) e compreso nella' loro intercapedine, fissato tramite mezzi meccanici (9) che ne consentono la regolazione della posizione in direzione assiale (10); - almeno un elemento di accensione (15) della fiamma, caratterizzata dal fatto che i distributori (51,31,21) di uscita dal condotto tubolare interno (6) della miscela combustibile aria-gas oppure gas sono intercapedini anulari perpendicolari all'asse del corpo tubolare interno (6), formate da anelli (35,36,32) e/o dischi (23) coassiali fra loro e fra loro collegati tramite distanziali (33,24) e/o tramite almeno un tronchetto tubolare (40).
2. 2) Testa di combustione secondo la rivendicazione 1) caratterizzata dal fatto che i distributori (51,31,21) sporgono assialmente rispetto all'estremità' anteriore del corpo tubolare esterno (2).
3. 3) Testa di combustione secondo la rivendicazione 1) oppure 2) caratterizzata dal fatto che i distributori (51,31,21) sono suddivisi in due ordini di cui un ordine intermedio (30) ove si realizza una combustione in eccesso d'aria formato da almeno un distributore (51,31) realizzato in corrispondenza della zona di unione tra l'estremità' anteriore (17) del condotto tubolare interno (6) e l'estremità' posteriore (41) del tronchetto tubolare (40), ed un ordine di estremità' (20) ove si realizza una combustione in difetto d’aria, formato da almeno un ulteriore distributore (21) realizzato in corrispondenza dell’estremità' anteriore (42) del tronchetto tubolare (40) medesimo.
4. 4) Testa di combustione secondo la rivendicazione 3) caratterizzata dal fatto che i distributori (51,31) appartenenti all’ordine intermedio (30) sono una coppia di distributori e sono formati da un disco anulare intermedio (32) compreso fra due ulteriori dischi anulari (35,36) ai quali e' collegato tramite distanziatori (53).
5. 5) Testa di combustione secondo la rivendicazione 3) caratterizzato,dal fatto che il distributore (21) appartenente all'ordine di estremità' (20) e’un unico distributore formato da un disco circolare (23) applicato coassialmente tramite distanziatori (24) all'estremità’ anteriore (42) del tronchetto tubolare (40).