ITMO20120281A1 - Bruciatore atmosferico parzialmente premiscelato a combustibile gassoso. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

<titolo:COMBUSTIBILE GASSOSO>.

La presente invenzione ha per oggetto un bruciatore atmosferico modulare.

L’invenzione si riferisce in particolare ad un bruciatore atmosferico parzialmente premiscelato a combustibile gassoso.

Nei bruciatori atmosferici il combustibile gassoso viene miscelato con una determinata quantità di aria comburente, cosiddetta aria primaria, prima della combustione. La miscelazione tra combustibile e aria comburente primaria, costituita da aria atmosferica, si ottiene iniettando il combustibile all’imbocco di un tubo di Venturi. L’energia presente nel flusso del combustibile determina un trascinamento di aria primaria che si miscela con il combustibile all’interno del Venturi stesso. All’uscita del tubo di Venturi à ̈ disposta una camera di miscelazione all’interno della quale si completa la miscelazione tra il combustibile e l’aria comburente primaria. La camera di miscelazione à ̈ costituita sostanzialmente da un volume opportunamente delimitato che, ad una prima estremità, à ̈ connesso all’uscita del tubo di Venturi. Ad una seconda estremità della camera di miscelazione à ̈ disposto un diffusore in corrispondenza del quale, all’esterno della camera di miscelazione, si sviluppa e si completa la combustione grazie ad un ulteriore apporto di aria comburente, detta aria secondaria, costituita da aria ambiente che si trova all’esterno del bruciatore. Il diffusore à ̈ costituito fondamentalmente da un corpo relativamente sottile attraverso il quale la miscela di aria primaria e combustibile fluisce verso l’esterno. Tale corpo à ̈ costituito da materiale metallico o ceramico traforato o poroso.

Un fondamentale obiettivo che presiede ad un corretto dimensionamento del bruciatore à ̈ di ridurre al massimo la produzione di gas inquinanti quali monossido di carbonio (CO) e ossidi di azoto (NO e NO2). Nella combustione gli ossidi di azoto si formano per ossidazione dell’azoto presente nell’aria comburente. La formazione degli ossidi di azoto avviene principalmente nelle zone della fiamma dove sono presenti contemporaneamente alte temperature ed elevata quantità di ossigeno.

Nei bruciatori atmosferici, per ridurre la produzione di ossidi di azoto, si usa strutturare il tubo di Venturi in modo che la portata di aria primaria trascinata e la portata di combustibile iniettato siano in un determinato rapporto e siano opportunamente miscelati fra loro. Nei casi in cui il rapporto fra aria primaria e gas combustibile sia inferiore al rapporto stechiometrico, l’aria mancante al raggiungimento del valore stechiometrico à ̈ rappresentata dall’aria secondaria che viene presa dalla fiamma all’esterno del bruciatore. L’afflusso di aria secondaria, oltre a completare la combustione, raffredda la temperatura della fiamma, contribuendo a ridurre la produzione di ossidi di azoto. D’altro canto, un eccessivo abbassamento della temperatura della fiamma può produrre un incremento della produzione di monossido di carbonio (CO).

È quindi di fondamentale importanza ottenere un corretto bilanciamento tra portata di aria primaria e portata di aria secondaria al fine di realizzare le migliori condizioni di funzionamento del bruciatore.

I bruciatori atmosferici a basso NOx attualmente disponibili sono migliorabili in diversi aspetti.

In particolare non à ̈ stato raggiunto un buon compromesso tra le emissioni di inquinanti e le dimensioni dei bruciatori. Il loro volume infatti à ̈ ancora relativamente elevato e non permette un montaggio funzionale in dispositivi quali le attuali caldaie domestiche atmosferiche. Anche l’area della superficie bruciante rapportata alla potenza nominale della caldaia à ̈ tuttora molto elevata nelle attuali caldaie domestiche atmosferiche. Inoltre i tradizionali bruciatori atmosferici a basso NOx non permettono la modulazione di potenza in modalità continua.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di offrire un bruciatore atmosferico modulare che, pur garantendo gli stessi livelli di emissioni di CO, consenta di superare gli inconvenienti dei bruciatori attualmente disponibili. Un vantaggio del bruciatore secondo la presente invenzione à ̈ che consente di ridurre notevolmente la produzione di ossidi di azoto rispetto ai bruciatori attualmente disponibili per utilizzi analoghi.

Un altro vantaggio del bruciatore secondo la presente invenzione à ̈ che può essere realizzato con dimensioni più contenute rispetto ai bruciatori attualmente disponibili, in modo da poter essere utilizzato in caldaie atmosferiche senza modificare significativamente il loro layout.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione meglio appariranno dalla descrizione dettagliata che segue di una forma di realizzazione dell’invenzione in oggetto, illustrata a titolo esemplificativo ma non limitativo nelle allegate figure in cui:

la figura 1 mostra una prima forma di realizzazione del bruciatore secondo la presente invenzione;

la figura 2 mostra una vista in sezione del bruciatore di figura 1, eseguita su un piano medio (M) che contiene l’asse longitudinale (X) del bruciatore;

la figura 3 mostra una schematica vista in pianta di una batteria di bruciatori secondo la figura 1; con “AS†à ̈ indicata schematicamente l’area occupata in pianta da uno scambiatore di calore associato alla batteria di bruciatori;

la figura 4 mostra una seconda forma di realizzazione del bruciatore secondo la presente invenzione;

la figura 5 mostra una vista in sezione del bruciatore di figura 4, eseguita su un piano medio (M) che contiene l’asse longitudinale (X) del bruciatore.

Il bruciatore secondo la presente invenzione comprende un condotto Venturi (2) dotato di un’estremità di ingresso (21), di un’estremità di uscita (22) e di una sezione di gola (23). Il combustibile viene iniettato all’interno del Venturi attraverso l’estremità di ingresso (21) per mezzo di un ugello (9). Come già accennato, il flusso di combustibile determina il trascinamento di una determinata portata di aria primaria attraverso l’estremità di ingresso (21). L’aria trascinata si miscela parzialmente con il combustibile lungo il Venturi (2).

Il bruciatore comprende inoltre una camera di miscelazione (3) associata, in corrispondenza di una prima estremità, all’estremità di uscita (22) del condotto Venturi (2) e nella quale si completa la miscelazione tra gas combustibile e aria primaria. Un diffusore (4) à ̈ associato ad una seconda estremità della camera di miscelazione (3). Il condotto Venturi (2), la camera di miscelazione (3) ed il diffusore (4) sono allineati lungo un asse longitudinale (X).

Una caratteristica innovativa e vantaggiosa della presente invenzione rispetto all’arte nota à ̈ la natura del diffusore. Nell’arte nota, il diffusore à ̈ costituito da una striscia (strip) in lamiera metallica, ovvero da una lamiera opportunamente perforata dalla quale fuoriesce la miscela di aria comburente primaria e gas combustibile e alla quale si àncora la fiamma. Per loro natura, i tradizionali bruciatori modulari a basso NOx permettono una modulazione di potenza scarsa o nulla poiché, per bassi rapporti tra potenza bruciata e superficie bruciante, la strip in lamiera si surriscalda aumentando così il rischio di rientro di fiamma all’interno della camera di miscelazione (flashback) così come il rischio di deformazione e/o rottura del bruciatore per stress termico.

Nella presente invenzione la strip in lamiera à ̈ sostituita da una strip in materiale metallico o ceramico traforato o poroso. Materiali di tale natura sono ad esempio la maglia metallica o ceramica, i tessuti metallici o ceramici, i sinterizzati metallici o ceramici ecc. Un diffusore realizzato con tali materiali ha una conducibilità termica molto inferiore a quella della lamiera metallica. La superficie bruciante può quindi raggiungere alte temperature e assicurare un buon ancoraggio della fiamma senza tuttavia trasmettere calore sul lato affacciato alla camera di miscelazione, evitando così i problemi sopracitati.

Grazie alle caratteristiche della strip, il bruciatore secondo la presente invenzione à ̈ in grado di reggere modulazioni di potenza molto maggiori rispetto a bruciatori tradizionali della stessa tipologia. In particolare à ̈ in grado di funzionare in regime radiante senza rischio di flashback. Tale regime à ̈ un ottimo compromesso per massimizzare l’efficienza del bruciatore e minimizzarne le emissioni di inquinanti.

L’altro grande vantaggio di questi materiali traforati o porosi rispetto alla lamiera metallica, à ̈ la loro resistenza meccanica alle deformazioni termiche. La lamiera metallica, se sottoposta a ripetuti cicli termici ad alte temperature, a causa delle dilatazioni termiche può deformarsi permanentemente e addirittura rompersi. Al contrario, i materiali traforati o porosi quali maglie metalliche o sinterizzati ceramici non subiscono deformazioni permanenti a seguito di ripetuti cicli termici, anche se esposti ad alte temperature.

Il diffusore (4) comprende dunque un corpo dotato di una pluralità di aperture passanti attraverso le quali la miscela di aria primaria e combustibile fluisce all’esterno del bruciatore per alimentare la combustione. Preferibilmente il diffusore (4) comprende un elemento di supporto a rete al quale à ̈ associato un elemento in maglia metallica e/o ceramica. La struttura del diffusore (4) determina, in una portata di fluido gassoso (Q) quale à ̈ la miscela di aria primaria e combustibile, una perdita di carico (DP) che può essere misurata in Pascal. Il diffusore (4) à ̈ preferibilmente strutturato in modo da determinare, per una portata di aria (Q) alla temperatura di 25°C misurata in m<3>/s che fluisce attraverso una superficie quadrata di 78 cm<2>, una perdita di carico (DP) misurata in Pascal che vale:

(a) DP = aQ<2>+ bQ

con 60300 < a < 79000 [kg*m<-7>] e 2500 < b < 2600 [kg*sec<-1>m<-4>].

La perdita di carico descritta dalla relazione (a) à ̈ inferiore rispetto alle perdite di carico generate dai diffusori in lamiera tipici dell’arte nota. Un diffusore (4) che produce una perdita di carico in accordo alla condizione (a) consente un tiraggio ottimale del Venturi (2) favorendo il trascinamento di aria comburente primaria. Questo fatto, insieme alle proprietà termiche e meccaniche dei materiali utilizzati nella presente invenzione e descritte in precedenza, permette di ridurre le dimensioni del Venturi (2) associato al diffusore (4) descritto, così come di evitare il fenomeno del ritorno di fiamma (flashback) e inibire le deformazioni/rotture associate agli stress termici. Inoltre, l’aumento della quantità di aria primaria trascinata riduce notevolmente le emissioni di NOx.

Il richiedente ha rilevato inoltre che l’utilizzo delle seguenti relazioni per la progettazione del bruciatore consente di raggiungere le performances di efficienza ed emissione richieste dal mercato mantenendo un ottimo livello di compattezza.

Considerato che il diffusore (4) presenta una superficie di combustione che presenta un’area complessiva (A4), il rapporto tra essa e l’area (A23) della sezione di gola (23) del condotto Venturi (2) deve essere compreso tra 20 e 43, ovvero:

Una terza condizione da rispettare riguarda una relazione tra la potenza nominale bruciata dal bruciatore (P) e l’altezza totale (H1) del bruciatore. La potenza nominale bruciata (P) dal bruciatore à ̈ definita dal prodotto tra la portata di gas combustibile che viene iniettato dall’ugello (9) e il potere calorifico inferiore del gas iniettato. Il rapporto tra la potenza nominale bruciata dal bruciatore (P) e l’altezza totale del bruciatore (H1) deve essere compreso tra 6 e 18 W/mm, ovvero:

L’altezza (H3) della camera di miscelazione (3) à ̈ preferibilmente compresa tra 10 e 50 mm.

(d) 10 < H3< 50 [mm]

Una quinta condizione da rispettare pone in relazione il volume (V3) della camera di miscelazione (3) con l’altezza totale (H1) del bruciatore, intesa come la distanza tra l’estremità di ingresso (21) del condotto Venturi (2) e la seconda estremità della camera di miscelazione (3). Il rapporto tra il volume della camera di miscelazione (V3), misurato in cm<3>, e l’altezza totale (H1) del bruciatore, misurata in cm, à ̈ compreso tra 3 e 5, ovvero:

La progettazione di un bruciatore che rispetti le cinque condizioni sopra elencate consente di ridurre notevolmente le dimensioni del bruciatore stesso, nonché consente di ottenere il trascinamento di una quantità ottimale di aria primaria. Come già accennato, ciò determina una riduzione consistente della quantità di ossidi di azoto prodotti nella combustione.

Ulteriore condizione che consente di abbassare la produzione di NOxprevede di dimensionare l’area (A4) della superficie di combustione del diffusore (4) in base alla potenza nominale bruciata (P) dal bruciatore, in modo che il rapporto tra la potenza bruciata dal bruciatore (P) e l’area della superficie di combustione sia compreso tra 70 e 150 W/cm<2>:

[W*cm<-2>]

Da un punto di vista geometrico, il diffusore (4) presenta due conformazioni preferite.

In una prima forma di realizzazione il diffusore presenta una conformazione assialsimmetrica rispetto all’asse longitudinale (X) del bruciatore. La proiezione del diffusore (4) su un piano perpendicolare all’asse longitudinale (X) à ̈ sostanzialmente circolare. In questa forma di realizzazione la camera di miscelazione (3) à ̈ di forma cilindrica o conica. In una seconda forma di realizzazione il diffusore (4) presenta una conformazione allungata, simmetrica rispetto ad un piano medio (M) sul quale giace l’asse longitudinale (X). La proiezione del diffusore (4) su un piano perpendicolare all’asse longitudinale (X) presenta due lati rettilinei e paralleli, raccordati alle estremità da due semicirconferenze con concavità rivolta verso l’interno. In questa seconda forma di realizzazione la camera di miscelazione (3) presenta preferibilmente, ma non esclusivamente, una conformazione divergente dall’estremità di uscita (22) del condotto Venturi (2) al diffusore (4).

In entrambi i casi la larghezza (L4) diffusore (4) Ã ̈ preferibilmente compresa tra 8 e 50 mm.

(g) 8 < L4< 50 mm

Nella prima forma di realizzazione la larghezza del diffusore à ̈ sostanzialmente il diametro della proiezione del diffusore (4) su un piano perpendicolare all’asse longitudinale (X) del bruciatore. Nella seconda forma di realizzazione la larghezza (L4) del diffusore à ̈ sostanzialmente la distanza tra i due lati rettilinei e paralleli della proiezione del diffusore (4) su un piano perpendicolare all’asse longitudinale (X).

Preferibilmente il diffusore (4) presenta una conformazione curva, con concavità rivolta verso la camera di miscelazione (3), il cui raggio minimo di curvatura à ̈ costante in un intorno di qualunque punto interno alla sua superficie. In altri termini, nella prima forma di realizzazione il diffusore (4) à ̈ in forma di una calotta sferica. Nella seconda forma di realizzazione il diffusore (4) à ̈ in forma di una porzione di superficie cilindrica raccordata alle estremità da due porzioni di superficie sferica.

Un determinato numero di bruciatori (1) secondo la presente invenzione possono essere associati tra loro a formare un bruciatore modulare del tipo mostrato in figura 3 in vista dall’alto.

In una preferita forma di realizzazione del bruciatore modulare, i bruciatori (1) sono affiancati l’uno all’altro secondo una conveniente distribuzione spaziale. Il bruciatore modulare à ̈ associato ad uno scambiatore di calore, del quale à ̈ tracciato schematicamente il solo contorno in pianta, nel quale scorre un fluido da riscaldare.

Sia (Ab) la sommatoria delle proiezioni su un piano perpendicolare all’asse longitudinale (X) delle superfici dei diffusori (A4) dei bruciatori (1) che compongono il sistema modulare (figura 3a).

Sia (As) la proiezione sullo stesso piano perpendicolare all’asse longitudinale (X) della superficie dello scambiatore di calore associato al bruciatore modulare.

La superficie (Ab) Ã ̈ contenuta in (As).

Preferibilmente tra le superfici (Ab) e (As) vale la seguente relazione:

(h) 0.5 Ab/ As1.

In altri termini la proiezione della superficie bruciante su un piano perpendicolare all’asse longitudinale (X) deve occupare almeno la metà della proiezione della superficie dello scambiatore sullo stesso piano.

Claims (5)

1. ≤ RIVENDICAZIONI 1) Bruciatore atmosferico parzialmente premiscelato a combustibile gassoso, comprendente: un condotto Venturi (2), dotato di un’estremità di ingresso (21), un’estremità di uscita (22) ed una sezione di gola (23); una camera di miscelazione (3) associata, in corrispondenza di una prima estremità, all’estremità di uscita (22) del condotto Venturi (2); un diffusore (4), associato ad una seconda estremità della camera di miscelazione (3); il condotto Venturi (2), la camera di miscelazione (3) ed il diffusore (4) essendo allineati lungo un asse longitudinale (X); caratterizzato dal fatto che il diffusore (4) à ̈ strutturato in modo da determinare, in una portata di aria (Q) alla temperatura di 25°C misurata in m<3>/s che fluisce attraverso una superficie quadrata di 78 cm<2>, una perdita di carico (DP) misurata in Pascal che vale: DP = a*Q<2>+ b*Q con 60300 < a < 79000 [kg*m<-7>] e 2500 < b < 2600 [kg*s<-1>m<-4>].
2. 2) Bruciatore secondo la rivendicazione 1, in cui il diffusore (4) presenta una superficie di combustione che presenta un’area complessiva (A4) il cui rapporto con l’area (A23) della sezione di gola (23) del condotto Venturi (2) à ̈ compreso tra 20 e 43, ovvero 20 A4/A2343.
3. 3) Bruciatore secondo la rivendicazione 1, in cui la potenza nominale bruciata (P) dal bruciatore à ̈ in rapporto con l’area (A4) della superficie di combustione del diffusore (4) secondo la relazione 70 < P/A4< 150 [W*cm<-2>].
4. 4) Bruciatore secondo la rivendicazione 1, in cui il rapporto tra la potenza nominale bruciata (P) dal bruciatore e l’altezza totale (H1) del bruciatore à ̈ compreso tra 6 e 18 W*mm<-1>, ovvero 6 P/H118 [W*mm<-1>]. 5) Bruciatore secondo la rivendicazione 1, in cui il rapporto tra il volume della camera di miscelazione (V3), misurato in cm<3>, e l’altezza totale (H1) del bruciatore, misurata in cm, à ̈ compreso tra 3 e 5, ovvero 3≤ V3/H1≤ 5 [cm<2>]. 6) Bruciatore secondo la rivendicazione 1, in cui l’altezza (H3) della camera di miscelazione (3) à ̈ compresa tra 10 e 50 mm. 7) Bruciatore secondo la rivendicazione 1, in cui il diffusore (4) presenta una conformazione assialsimmetrica rispetto all’asse longitudinale (X) del bruciatore e la proiezione del diffusore (4) su un piano perpendicolare all’asse longitudinale (X) à ̈ sostanzialmente circolare, la camera di miscelazione (3) essendo di forma cilindrica o conica. 8) Bruciatore secondo la rivendicazione 1, in cui: il diffusore (4) presenta una conformazione allungata, simmetrica rispetto ad un piano medio (M) sul quale giace l’asse longitudinale (X); la proiezione del diffusore (4) su un piano perpendicolare all’asse longitudinale (X) presenta due lati rettilinei e paralleli, raccordati alle estremità da due semicirconferenze con concavità rivolta verso l’interno; la camera di miscelazione (3) à ̈ di forma cilindrica o conica. 9) Bruciatore secondo le rivendicazione 7 o 8, in cui il diffusore (4) presenta una larghezza (L4) compresa tra 8 e 50 mm. 10) Bruciatore secondo la rivendicazione 1, in cui il diffusore (4) presenta una conformazione curva, con concavità rivolta verso la camera di miscelazione (3), il cui raggio minimo di curvatura à ̈ costante in un intorno di qualunque punto interno alla sua superficie. 11) Bruciatore modulare, comprendente una pluralità di bruciatori (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, associati tra loro secondo una prefissata distribuzione spaziale, in cui il rapporto tra la sommatoria (Ab) delle proiezioni su un piano perpendicolare all’asse longitudinale (X) delle superfici (A4) dei diffusori (4) e la proiezione sul medesimo piano della superficie (As) di uno scambiatore di calore associato al bruciatore modulare à ̈ compreso tra 0,5 e 1, ovvero: 0.
5. 5 Ab/ As1. 12) Bruciatore modulare secondo la rivendicazione 11, in cui i diffusori (4) comprendono un elemento di supporto al quale à ̈ associato un elemento realizzato in un materiale metallico o ceramico che presenta una struttura a maglia, tessuta o sinterizzata. 13) Metodo per la progettazione di un bruciatore atmosferico, in cui il bruciatore comprende: un condotto Venturi (2), dotato di un’estremità di ingresso (21), un’estremità di uscita (22) ed una sezione di gola (23); una camera di miscelazione (3), associata, in corrispondenza di una prima estremità, all’estremità di uscita (22) del condotto Venturi (2); un diffusore (4), associato ad una seconda estremità della camera di miscelazione (3); il condotto Venturi (2), la camera di miscelazione (3) ed il diffusore (4) essendo allineati lungo un asse longitudinale (X); caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: predisporre un diffusore (4) comprendente un corpo, dotato di aperture passanti, che à ̈ realizzato in un materiale metallico e/o ceramico che presenta una struttura porosa, tessuta o a maglia; strutturare il diffusore (4) in modo che esso determini, in una portata di aria (Q) alla temperatura di 25°C misurata in m<3>/s che fluisce attraverso una superficie quadrata di 78 cm<2>, una perdita di carico (DP) misurata in Pascal che vale: DP = aQ<2>+ bQ con 60300 < a < 79000 [kg*m<-7>] e 2500 < b < 2600 [kg*s<-1>m<-4>].