ITBO20120128A1 - Apparecchiatura di combustione di combustibili liquidi e relativo metodo per modulare la potenza di tale apparecchiatura - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“APPARECCHIATURA DI COMBUSTIONE DI COMBUSTIBILI LIQUIDI E RELATIVO METODO PER MODULARE LA POTENZA DI TALE APPARECCHIATURAâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad una apparecchiatura di combustione di combustibili liquidi ed un relativo metodo per modulare la potenza dell’apparecchiatura stessa.

Come à ̈ noto, una apparecchiatura di combustione di un combustibile liquido (olio combustibile) à ̈ detta “modulante†se la sua potenza termica à ̈ variabile con continuità in funzione della portata di combustibile inviata alla testa di combustione. Nelle apparecchiature di combustione di tipo residenziale tale portata à ̈ fornita usualmente da una pompa ad olio.

Per ottenere la desiderata modulazione della potenza termica erogata dall’apparecchiatura di combustione à ̈ necessario che la portata della pompa ad olio possa essere variata in modo continuo. E’ noto, altresì, che la portata della pompa ad olio à ̈ proporzionale al numero di giri al minuto (rpm), o in modo equivalente alla frequenza (giri al secondo, Hz), con cui ruota l’albero interno alla pompa stessa che normalmente à ̈ del tipo ad ingranaggi o del tipo a lobi.

La modulazione di potenza di una apparecchiatura di combustione dipende anche dalla quantità di aria comburente, quindi dal numero di giri del sistema ventilante che à ̈ un componente adibito all’aspirazione di aria comburente e al suo invio verso la testa di combustione.

Per ottenere una combustione stechiometrica, cioà ̈ con il giusto rapporto combustibile/comburente e con la minore quantità possibile di emissioni, per ogni valore di portata d’aria emessa dal sistema ventilante, la pompa deve fornire alla testa di combustione il corretto valore di portata di liquido combustibile.

Attualmente, esistono essenzialmente due tecniche per modulare la potenza in una apparecchiatura di combustione:

1) L’uso di un motore (servomotore) elettrico calettato allo stesso albero rotore della pompa del combustibile liquido (si veda, per esempio, il documento EP-B1-0943056) in modo da far variare, quando à ̈ necessario, la frequenza di rotazione dell’albero e di conseguenza la portata della pompa stessa; tale tecnica presenta, tuttavia, alcuni svantaggi di notevole rilevanza:

a. il costo del motore elettrico;

b. l’aumento di ingombro dimensionale dovuto alla presenza del motore elettrico stesso;

c. l’aumento del consumo di potenza elettrica dovuto al motore;

d. la necessità di usare un albero rotante maggiorato nelle caratteristiche fisico-geometriche rispetto a quello originario della sola pompa.

2) L’uso di un meccanismo (servomeccanismo) elettromeccanico (si vedano, per esempio, i documenti WO2004040192 e WO2009044016), di solito fornito di un pistoncino o di un diaframma, posto in serie tra la pompa e la testa di combustione, che permette la variazione continua della portata di liquido inviata alla testa di combustione stessa tramite comando elettrico; tale tecnica presenta, tuttavia, i seguenti svantaggi:

e. il costo del meccanismo elettromeccanico;

f. l’aumento degli ingombri dimensionali dovuto alla presenza del componente aggiuntivo;

g. una diminuzione del grado di affidabilità, e quindi del valore temporale di vita media, dell’assemblato pompante dovuto alla criticità derivante dall’uso di un componente elettromeccanico.

Pertanto, scopo principale della presente invenzione à ̈ quello di realizzare una apparecchiatura di combustione di combustibili liquidi la quale sia esente dagli inconvenienti sopra descritti e sia, nello stesso tempo, di facile ed economica realizzazione.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un relativo metodo per modulare la potenza dell’apparecchiatura di combustione stessa.

Mediante la presente invenzione, si ottiene in maniera semplice e poco costosa, la desiderata modulazione di una pompa per liquido combustibile in modo da modulare la potenza termica erogata dall’intera apparecchiatura di combustione.

Pertanto, in accordo con la presente invenzione vengono forniti una apparecchiatura di combustione, ed un relativo metodo per modulare la potenza dell’apparecchiatura stessa secondo quanto rivendicato nelle rivendicazioni indipendenti allegate, e preferibilmente, in una qualsiasi delle rivendicazioni dipendenti direttamente o indirettamente dalle menzionate rivendicazioni indipendenti.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 illustra uno schema dell’apparecchiatura di combustione secondo la presente invenzione;

- la figura 2 mostra un ingrandimento di un particolare dell’apparecchiatura di figura 1; e

- la figura 3 illustra due curve riferite a due assi cartesiani in cui in ascissa sono riportate le velocità dell’albero del motore (in giri al secondo), mentre, in ordinata, troviamo le relative pressioni che si riferiscono a dette due curve.

In figura 1, con 10 Ã ̈ indicata, nel suo complesso, una apparecchiatura di combustione realizzata secondo i dettami della presente invenzione.

Sia detto per inciso che in figura 1, le connessioni meccaniche sono state rappresentate con linee a tratto pieno, mentre per quelle elettriche sono state utilizzate delle linee tratteggiate.

L’apparecchiatura di combustione 10 comprende i seguenti elementi:

- una pompa 11 (alimentata in combustibile liquido da una linea di alimentazione 111) che presenta il solo meccanismo rotante (ad ingranaggi o a lobi) per l’aspirazione e la mandata del liquido pompato, ma non il meccanismo regolatore, di solito interno alla pompa stessa e atto a mantenere costante sul valore di taratura la portata, e quindi la corrispondente pressione, del liquido in uscita dalla pompa;

- un ventilatore 12 la cui girante à ̈ calettata su un medesimo albero di rotazione 13 della pompa 11;

- un inverter 14 usualmente presente in tutti le apparecchiature di combustione dotate di motori elettrici a giri variabili; l’inverter 14 comanda, tramite una connessione elettrica 15, il cambiamento del numero di giri della girante del ventilatore 12;

- una valvola modulatrice 16 (vedi figura 2), la cui costituzione sarà vista meglio in seguito, alimentata dalla linea di alimentazione 111 e che serve a regolare la portata di olio combustibile verso la pompa 11 tramite un condotto 25; tale valvola modulatrice 16 à ̈ modulata da un motoriduttore elettrico 17, a sua volta comandato dal suddetto inverter 14 tramite una connessione elettrica 18; tra il motoriduttore elettrico 17 e la valvola modulatrice 16 si trova un alberino 17A.

- un trasduttore di pressione 19 posto a valle della pompa 11 e atto a rilevare le pressioni istantanee del combustibile liquido in uscita dalla luce di mandata della pompa 11 stessa; il trasduttore di pressione 19 à ̈ atto, inoltre, a trasferire dati all’inverter 14 per il tramite di una connessione elettrica 20; ed

- una testa di combustione 30 collegata idraulicamente con la pompa 11 per mezzo di un condotto 21 (nel quale si trova il trasduttore di pressione 19) e con il ventilatore 12 tramite un condotto 22 di alimentazione dell’aria comburente; in altre parole la testa di combustione 30 à ̈ alimentata con combustibile liquido pompato dalla pompa 11 per mezzo del condotto 21 e con l’aria inviata dal ventilatore 12 attraverso il condotto 22.

Nella apparecchiatura 10 oggetto della presente invenzione il consueto meccanismo regolatore (di solito interno alla pompa stessa e atto a mantenere costante sul valore di taratura la portata, e quindi la corrispondente pressione, del liquido in uscita dalla pompa) Ã ̈ sostituita della valvola modulatrice 16 illustrata in maggior dettaglio in figura 2.

Tale valvola modulatrice 16 (figura 2) comprende un corpo principale 16A provvisto di un foro passante longitudinale 16B di asse (Y).

Una porzione 16B* della parete del foro passante longitudinale 16B Ã ̈ filettata.

Una estremità 16C del corpo principale 14A à ̈ munita di un elemento anulare 16D provvisto di una apertura centrale sagomata 16E (anch’essa di asse (Y)).

Il corpo principale 16A presenta, inoltre, almeno due luci laterali 16F per dei fini che verranno spiegati nel prosieguo.

All’interno del foro passante longitudinale 16B à ̈ alloggiato un otturatore 16G (anch’esso di asse (Y)) il quale presenta una punta conica 16G* complementare all’apertura centrale sagomata 16E.

Una porzione 16G** della superficie dell’otturatore 16G à ̈ filettata e, in uso, si accoppia con la suddetta porzione 16B* della parete del foro passante longitudinale 16B.

L’otturatore 16G à ̈ quindi avvitato sulla superficie laterale della sua sede cilindrica in modo da potersi muovere in senso assiale secondo una freccia a doppia punta (F1) (figura 2). Il suo avvitamento/svitamento à ̈ reso possibile dalla rotazione che a tale otturatore 16G à ̈ imposta dall’alberino 17A del citato motoriduttore elettrico 17 (figura 1).

In uso, l’estremità conica 16G* à ̈ atta a parzializzare, tramite movimento longitudinale dato dalla freccia a doppia punta (F1) la apertura centrale sagomata 16E e, di conseguenza, la quantità di combustibile in uscita dalle due luci laterali 16F.

In altre parole, il combustibile liquido, proveniente dalla linea di alimentazione 111, entra nell’otturatore 16 attraverso l’apertura centrale sagomata 16E ed esce dall’otturatore 16 stesso dalle due luci laterali 16F per alimentare la pompa 11 dopo aver attraversato il condotto 25 (figura 1).

Come à ̈ stato detto, la pressione del combustibile liquido in uscita, che varia a seconda della portata in base alla curva caratteristica pressione-portata della pompa (vedi oltre), viene misurata dal citato trasduttore di pressione 19 secondo una fissata frequenza temporale scandita da intervalli uniformi di tempo lunghi ∆t secondi (di solito, una frazione di secondo).

Adesso, con l’aiuto delle figure 1, 2 e 3, verrà descritto il metodo per modulare la potenza dell’apparecchiatura 10, metodo che, come si à ̈ detto, à ̈ un ulteriore oggetto della presente invenzione.

Supponiamo che all’istante di tempo t_0 si richieda una variazione della potenza termica di fiamma corrispondente al valore Q_0 di portata del combustibile liquido.

Per ottenere il nuovo livello di potenza richiesto, la portata di liquido combustibile dovrà essere aggiornata ad un nuovo valore Q*, dipendente dal potere calorifico del liquido usato.

L’inverter 14 comanda, tramite la connessione elettrica 15, al ventilatore 12 di variare il numero di giri della girante dal valore N_0 ad un nuovo opportuno valore N_1, calcolato, tramite istruzioni di pilotaggio pre-codificate nella logica dell’inverter 14 stesso, in modo che la portata d’aria passi da un valore iniziale A_0 ad un nuovo valore A_1 necessario affinché la combustione della portata Q di combustibile liquido sia stechiometrica. Di conseguenza, la pompa 11, calettata sul medesimo albero di rotazione 13 del ventilatore 12, cambia da Q_0 a Q_1 il valore di portata, uscente nel condotto 21, del combustibile aspirato dalla linea di alimentazione 111.

In base alla curva caratteristica della pompa (CCP) (figura 3), la pressione del combustibile liquido lungo il condotto 21 cambia dal valore iniziale p_0 (per esempio: 8 bar) al nuovo valore p_1 (per esempio: 10 bar). Il valore p_1 viene letto, all’istante di tempo t_1 = t_0 ∆t, dal trasduttore di pressione 19 e quindi inviato, tramite la connessione elettrica 20, all’inverter 14.

In generale, il nuovo valore Q_1 di portata del liquido, corrispondente al valore p_1 di pressione, non à ̈ uguale al valore Q* di portata di combustibile necessario per avere una combustione stechiometrica corrispondente al valore A_1 di portata di aria fornita dal ventilatore al numero di giri N_1.

Questo dipende dal fatto che le curve caratteristiche (CCP) (figura 3) di variazione della portata della pompa 11 e della portata del ventilatore 12, al variare del numero di giri del comune albero di rotazione (vedi asse delle ascisse nel diagramma di figura 3), potrebbero non avere la medesima forma; in termini matematici, le due curve potrebbero avere derivate (inclinazioni dei grafici) diverse, con conseguente sfasamento delle portate di comburente e di combustibile rispetto alle necessità stechiometriche.

In altre parole, per avere una combustione stechiometrica, quando la pompa 11 ed il ventilatore 12 si trovano al numero di giri N_0 ci dovrebbe essere una pressione in uscita del combustibile liquido pari a p*_0 (cioà ̈ circa 5 bar non di 8 bar come indicherebbe la curva (CCP)).

Analogamente, per avere una combustione stechiometrica, quando la pompa 11 ed il ventilatore 12 si trovano al numero di giri N_1 ci dovrebbe essere una pressione in uscita del combustibile liquido pari a p*_1 (cioà ̈ circa 7,5 bar non di 10 bar come indicherebbe la curva (CCP)).

Tale fenomeno viene presentato nell’esempio rappresentato in figura 3 dove si riporta in linea singola marcata la curva caratteristica (CCP) (pressione in uscita del combustibile liquido vs numero di giri della pompa e del ventilatore), di una tipica pompa usata in bruciatori residenziali, e in linea con pallini una corrispondente curva (CCS) dei valori di pressione del combustibile che garantiscono una combustione stechiometrica.

Nell’esempio riportato in figura 3 la pompa 11 à ̈ tarata per garantire una pressione stechiometrica di 15 bar a 60 giri al secondo.

Diminuendo il numero di giri della pompa 11 (e quindi anche del ventilatore 12 che funzionano con lo stesso numero di giri), quindi la potenza termica erogata dalla testa di combustione 30, si nota che la pompa 11 tende a presentare in mandata valori di pressione, e quindi di portata del combustibile, superiori rispetto a quelli richiesti per una corretta combustione.

Si noti, altresì, che la progressiva diminuzione del numero di giri comporta un aumento dello sfasamento della pressione effettiva di mandata con quella stechiometrica.

Se Q_1 à ̈ quindi diverso dal valore richiesto di portata Q* necessario per avere una combustione stechiometrica, l’inverter 14 à ̈ programmato per inviare al motoriduttore elettrico 17, tramite la connessione elettrica 18, il comando di ruotare (in un senso se Q* > Q_1, nel senso opposto se Q* < Q_1) l’otturatore 16G in modo che tale otturatore 16G si sposti secondo uno dei versi dati dalla freccia a due punte (F1).

In tal modo la punta conica 16G* va a chiudere in più o in meno l’apertura centrale sagomata 16E correggendo il valore della portata del combustibile liquido che esce dalle due luci laterali 16F.

In questo modo, regolando la portata in uscita, si regola anche la pressione del combustibile liquido in uscita dalla pompa.

Se il nuovo valore di pressione p**_1 letto dal trasduttore di pressione 19 all’istante di tempo t_2 = t_1 ∆t = t_0 2 ∆t deve essere ulteriormente corretto, il processo viene reiterato fino a quando il valore di pressione coincide, a meno di uno scarto accettabile prestabilito, con quello stechiometrico.

Prove sperimentali attestano che il raggiungimento del valore ottimale di pressione viene raggiunto al massimo in pochi secondi, quindi la variazione di potenza viene eseguita dall’apparecchiatura di combustione oggetto dell’invenzione in un intervallo di tempo molto piccolo rispetto alla durata temporale (usualmente di qualche ora) di un ciclo di funzionamento a regime costante.

I vantaggi delle soluzioni proposte sono sostanzialmente i seguenti:

1. uso di componentistica che comporta una tecnologia semplice e già presente nel mercato;

2. dimensioni geometriche della valvola modulatrice e del trasduttore di pressione molto contenute, a vantaggio del contenimento generale delle dimensioni fisiche di tutto l’assemblato di una tipica apparecchiatura di combustione per scopi residenziali;

3. il modello può prevedere una alimentazione a 24 V e di conseguenza l’assorbimento di potenza elettrica à ̈ molto ridotto in entità (watts assorbiti) e nel tempo di funzionamento (i pochi secondi necessari per il raggiungimento del nuovo valore di potenza); e

4. non vi à ̈ la necessità di avere componenti elettromagnetici, che usualmente presentano meccanismi a scatto i cui comportamenti dinamici non sono facilmente gestibili, in senso matematico e in quello meccanico, in un processo iterativo tipo quello descritto nella presente proposta.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura (10) di combustione di combustibili liquidi; apparecchiatura comprendente i seguenti componenti: - una testa di combustione (30) alimentata con combustibile liquido da mezzi pompanti (11) e con aria comburente da un mezzi ventilanti (12); e - mezzi di regolazione (14, 16, 17, 19) della portata del combustibile liquido e dell’aria comburente; apparecchiatura caratterizzata dal fatto che detti mezzi di regolazione (14, 16, 17, 19) comprendono un inverter (14), una valvola modulatrice (16) della portata di combustibile liquido erogata da detti mezzi pompanti (11), un motoriduttore elettrico (17) di regolazione di detta valvola modulatrice (16) ed un trasduttore di pressione (19) posto a valle di detti mezzi pompanti (11), detti mezzi ventilanti (12), detto motoriduttore elettrico (17), e detto trasduttore di pressione (19) essendo collegati elettricamente con detto inverter (14).
2. 2. Apparecchiatura (10), come rivendicato alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta valvola modulatrice (16) comprende un corpo principale (16A) provvisto di un foro passante longitudinale (16B) di asse (Y).
3. 3. Apparecchiatura (10), come rivendicato alla rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che una porzione (16B*) della parete di detto foro passante longitudinale (16B) Ã ̈ filettata.
4. 4. Apparecchiatura (10), come rivendicato alla rivendicazione 2 o alla rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che una estremità (16C) di detto corpo principale (14A) à ̈ munita di una apertura centrale sagomata (16E); all’interno di detto foro passante longitudinale (16B) essendo alloggiato un otturatore (16G), almeno parzialmente filettato, il quale presenta una punta conica (16G*) complementare ad una apertura centrale sagomata (16E) di ingresso di combustibile liquido in detto foro passante longitudinale (16B).
5. 5. Apparecchiatura (10), come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni 2, 3, 4, caratterizzata dal fatto che detto corpo principale (16A) presenta, inoltre, almeno una luce laterale (16F) per l’uscita del combustibile liquido da detto foro passante longitudinale (16B).
6. 6. Apparecchiatura (10), come rivendicato alla rivendicazione 4 o alla rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che l’otturatore (16G) à ̈ avvitato, almeno parzialmente, su una porzione (16B*) filettata della parete di detto foro passante longitudinale (16B) in modo da spostarsi in senso assiale (F1); il suo avvitamento/svitamento essendo attuato dalla rotazione che a tale otturatore (16G) à ̈ imposta da un alberino (17A) di detto motoriduttore elettrico (17).
7. 7. Metodo per modulare la potenza di una apparecchiatura di combustione di combustibili liquidi; metodo comprendente le seguenti fasi: (f1) aggiornare ad un nuovo valore (Q_1) la portata del combustibile liquido verso una testa di combustione se all’istante di tempo (t_0) si richiede una variazione della potenza termica di fiamma corrispondente alla portata del combustibile liquido (Q_0), per ottenere un nuovo livello di potenza richiesto; (f2) comandare a dei mezzi ventilanti di portarsi ad un nuovo opportuno valore (N_1), calcolato, tramite istruzioni di pilotaggio pre-codificate, in modo che la portata d’aria passi da un valore iniziale (A_0) ad un nuovo valore (A_1) necessario affinché la combustione della portata (Q) di combustibile liquido sia stechiometrica; (f3) cambiare da (Q_0) a (Q_1) il valore di portata del combustibile liquido pompata da dei mezzi pompanti, calettati sullo stesso albero di rotazione di detti mezzi ventilanti; (f4) variare la pressione del combustibile liquido in uscita da detti mezzi pompanti, in base alla curva caratteristica di detti mezzi pompanti stessi, da un valore iniziale (p_0) ad nuovo valore (p_1); (f5) leggere il valore di pressione (p_1) all’istante di tempo (t_1 = t_0 ∆t) ed inviare tale valore a dei mezzi elettronici di controllo; (f6) verificare se il nuovo valore (Q_1) di portata del combustibile liquido, corrispondente al valore (P_1) di pressione, à ̈ uguale, o meno, al valore (Q*) di portata di combustibile necessario per avere una combustione stechiometrica corrispondente al valore (A_1) di portata di aria fornita da detti mezzi ventilanti al numero di giri (N_1); e (f7) terminare le operazione se il risultato della verifica e positivo; oppure, se il risultato à ̈ negativo cambiare, in maniera eventualmente reiterata, la portata e la pressione del combustibile liquido alimentato alla testa di combustione fino a raggiungere condizioni di combustione sostanzialmente stechiometriche per il valore di potenza richiesto.