ITMI20121815A1

ITMI20121815A1 - Apparecchiatura e metodo per la riduzione della varianza delle temperature di prodotti gassosi di processo

Info

Publication number: ITMI20121815A1
Application number: IT001815A
Authority: IT
Inventors: Gioacchino Nardin
Original assignee: Gioacchino Nardin
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2013-01-24

Description

"APPARECCHIATURA E METODO PER LA RIDUZIONE DELLA VARIANZA DELLE TEMPERATURE DI PRODOTTI GASSOSI DI PROCESSO"

CAMPO DI APPLICAZIONE

II presente trovato si riferisce ad un’apparecchiatura e metodo per ridurre la varianza delle temperature di prodotti gassosi di processo, mediante lo sfruttamento dell’energia termica di cambiamento di fase di materiali (“phase change materials”, PCM).

Il presente trovato, successivamente denominato moderatore, si applica, ad esempio, a processi industriali caratterizzati da reflui gassosi ad alto contenuto energetico, oppure caratterizzati da notevole variabilità nel tempo di temperature, potenze termiche o portate.

Ulteriori campi di applicazione del presente trovato sono i processi industriali caratterizzati da funzionamento intermittente, oppure processi industriali nei quali è richiesto il raffreddamento di apparati od impianti sollecitati da alte temperature.

STATO DELLA TECNICA

I continui aumenti del costo dei vettori energetici e le normative degli Stati che incentivano la produzione di energia termica ed elettrica da fonti alternative, rinnovabili e da recuperi energetici, hanno favorito negli ultimi anni lo sviluppo di tecnologie per recuperare l’energia dei reflui gassosi ad alto contenuto energetico propri di numerosi processi industriali per produrre, da essa, ulteriore energia.

Sono note apparecchiature che sfruttano l’energia di gas ad elevato contenuto energetico per estrarre, mediante scambiatori di calore, vapore diretto ad utenze elettriche e/o termiche.

Sono note inoltre apparecchiature che effettuano il ricircolo dei gas caldi prodotti da processi di combustione o di reazione chimica ad alta temperatura per effettuare il pre-riscaldo del materiale di carica, oppure del comburente in ingresso nella camera di combustione, oppure per avviare processi chimici a bassa e media temperatura.

Con riferimento, a mero titolo esemplificativo, all’industria siderurgica, in un impianto di produzione di acciaio mediante fusione in un forno elettrico ad arco, l’energia termica dissipata complessivamente è nell’intorno del 38% del totale dell’energia in ingresso.

In questo caso, il recupero dell’energia dei fumi può riguardare circa il 21% del totale dell’energia in ingresso nel forno, che, se non recuperata, andrebbe dispersa lungo la linea di depurazione fumi, inclusa l’espulsione in atmosfera.

Un inconveniente delle apparecchiature di recupero energetico note è dovuto al fatto che la loro produzione di energia termica, con recupero diretto dei cascami energetici dei fumi, ha una bassa efficienza, poiché è vincolata ad uno sfruttamento intermittente, coerentemente all’andamento delle temperature e delle portate dei fumi. Un ulteriore inconveniente risiede nel fatto che gli scambiatori di calore di tali apparecchiature vengono normalmente sovradimensionati in funzione dei picchi di carico massimo, con conseguente rendimento di utilizzo molto basso. Infatti, un sovradimensionamento del tipo sopraccitato implica necessariamente numerose e anche notevoli parzializzazioni, limitando di fatto l’utilizzo degli scambiatori a condizioni non ottimali.

Per ridurre l’effetto negativo della variabilità di temperature, potenze e portate, è noto regolarizzare il flusso di entalpia immediatamente a monte dell’apparecchiatura di recupero mediante sistemi integrativi provvisti di bruciatori ausiliari a metano. In questo caso il sistema impiantistico assume una taglia rilevante a causa delle portate in gioco. Inoltre il combustibile di alimentazione dei bruciatori è un combustibile tradizionale che inficia l’economicità del recupero.

È pure nota una tecnica per ridurre la variabilità nella fornitura di vapore o di acqua surriscaldata ad un’utenza generatrice di energia elettrica, quale una turbina, che prevede di far transitare il flusso a portata variabile prodotto da un processo in un accumulatore.

Altre apparecchiature note per lo sfruttamento dell’energia posseduta dai fumi in uscita da un forno elettrico comprendono mezzi atti a convogliare i fumi stessi verso la carica metallica per effettuarne il pre-riscaldamento. Ciò è previsto per pre-riscaldare il rottame sia nel caso in cui esso venga alimentato al forno elettrico in continuo, sia nel caso di alimentazione tramite ceste di carico. In questi casi, agli inconvenienti legati alle complicazioni impiantistiche dovute alla logistica delle ceste, si aggiungono quelli legati alle caratteristiche del rottame. Infatti, la presenza di basso-fondenti può influire negativamente sui tempi di marcia del forno e sulla relativa produttività, mentre la formazione di prodotti tossici dovuti alla composizione della carica preriscaldata e l’eventuale presenza di diossine nei fumi di pre-riscaldo potrebbero richiedere l’impiego di costosi ed ingombranti sistemi di post-combustione. A causa di tali svantaggi, il recupero del calore sensibile dei fumi, con cessione dello stesso al rottame, può essere effettuato, dopo diluizione con aria falsa e senza l’adozione di bruciatori ausiliari di integrazione, soltanto a bassa temperatura (300-350°C), quindi lontano dalle condizioni ritenute ottimali per un conseguimento di massimo risparmio energetico (600-650°C).

In situazioni cosiddette di “revamping”, ossia di intervento di ammodernamento e aggiornamento di impianti esistenti, le evidenti difficoltà, logistiche ed impiantistiche, di adottare sistemi di pre-riscaldo ostacolano la diffusione di tale tecnologia.

Questo sistema di recupero si rivela interessante in impianti dall’elevata produttività, dove la portata e la temperatura dei fumi sono tali da poter essere adeguatamente sfruttati e la durata del ciclo di fusione, o ciclo Tap-to-Tap, ossia il tempo che intercorre tra due spillaggi di acciaio consecutivi, è indicativamente superiore a 70 minuti.

Altre tecnologie note di pre-riscaldo prevedono la modifica della configurazione della sezione impiantistica adibita alla fusione della materia prima.

Un esempio noto è la tecnologia cosiddetta “Twin-Shell”, che prevede che il forno fusorio abbia due tini ed un unico sistema porta elettrodi, comune per entrambi. In forni di questo tipo, mentre viene fuso il materiale nel primo tino, nel secondo viene caricata una cesta di carica metallica, e quando nel primo si passa allo spillaggio nel secondo si inizia la fusione. In genere, i gas provenienti dal tino in cui è in atto la fusione vengono fatti transitare nel tino in cui sta avvenendo la carica. Tuttavia, per motivi ambientali, anche in questo caso è spesso necessario effettuare il preriscaldamento tramite dei bruciatori, con conseguenti effetti negativi sull’efficienza sul risparmio energetico d’impianto.

È altresì noto il forno cosiddetto “Contiarc”, il quale è un forno elettrico ad arco alimentato in corrente continua (DC), nel quale la carica metallica da fondere viene caricata con continuità nella parte superiore del tino ad una velocità pari a quella con cui la carica viene fusa nella parte inferiore. Durante la discesa, il rottame viene investito dai gas ascendenti che quindi provvedono a pre-riscaldarlo.

Un ulteriore forno elettrico noto è il forno cosiddetto “Comelt”, anch’esso in corrente continua (DC), che comprende un corpo fusorio inclinabile adiacente ad un tino verticale di pre-riscaldamento, che consente di pre-riscaldare la carica metallica tramite i gas generati nel corpo fusorio stesso.

Ad esempio, il forno cosiddetto “Shaft Furnace” utilizza un tino supplementare (o due tini usati alternativamente) raffreddato ad acqua e posizionato superiormente al forno fusorio, dove vengono prodotti i gas che andranno a pre-riscaldare la carica di rottame. Anche in questa configurazione sono previsti dei bruciatori ossi-combustibile ad integrazione del calore sensibile ceduto dai fumi.

L’evoluzione delle tecnologie di caricamento dei reattori, indirizzate al contenimento dei tempi morti e ad una contrazione della durata del ciclo di fusione, hanno portato alla realizzazione di sistemi di approvvigionamento in continuo nei quali il pre-riscaldo del rottame di carica avviene tramite i fumi in uscita dal forno elettrico, che investono, riscaldandolo, il rottame stesso su un nastro convogliatore. Tale tipologia di pre-riscaldo consente, abbinata ad idonei sistemi di monitoraggio e controllo, una riduzione del fabbisogno di energia elettrica di circa il 10% ed una maggior produttività.

Per quanto riguarda il recupero energetico ai soli fini termici, è noto praticarlo in associazione a reti di teleriscaldamento, considerata la scarsa rilevanza di energia termica a bassa entalpia nell’ambito del comprensorio industriale. In altri termini è necessario cedere energia termica a insediamenti industriali o civili vicinori.

Tale tecnica nota, tuttavia, seppure fattibile tecnicamente, richiede un’ottica di sistema e di integrazione territoriale con gli enti amministrativi che non sono ancora maturi. Inoltre, tale operazione di recupero energetico è ancora molto lontana dal ricoprire un posto di rilievo nelle attività di un impianto siderurgico.

È noto che, a parità di caratteristiche dei gas prodotti da processi industriali, minore è la temperatura del fluido termovettore, maggiore è l’entità dell’energia recuperata, mentre minore è la capacità di produrre energia elettrica.

I fluidi termovettori generalmente utilizzati nei processi noti di recupero energetico per la produzione di energia elettrica mediante un turbogeneratore hanno normalmente temperature di utilizzo comprese tra 150°C e 500°C e consentono rendimenti elettrici lordi non superiori al 20% per taglie medio-piccole, e nell’intorno del 30% per taglie grandi.

Altri fluidi termovettori sono utilizzati in un intorno di 100°C e sono normalmente impiegati per utenze termiche, quali ad esempio reti di teleriscaldamento o utenze interne, oppure per aumentare i carichi termici di reattori termici.

I forni elettrici ad arco utilizzati nelle acciaierie sono quasi sempre caratterizzati dalla presenza di sistemi di raffreddamento ad acqua per ottenere minor usura e, quindi maggior durata dei refrattari del tino e della volta, e per preservare le strutture metalliche dei condotti da cedimenti strutturali dovuti alla variabilità e ai picchi di temperatura. Tali sistemi di raffreddamento sono comunemente accoppiati con complessi e voluminosi apparati di raffreddamento e ricircolo parziale dell’acqua e non prevedono sistemi di recupero energetico.

I forni fusori elettrici sono normalmente provvisti di un condotto che convoglia i fumi provenienti dal quarto foro del forno, previa immissione d’aria, verso una camera di sedimentazione, nella quale si deposita il particolato più pesante presente nei fumi stessi.

La necessità di resistere alle severe sollecitazioni termiche a cui questo condotto è sottoposto (=1200° C) ha indotto a ricorrere a sistemi di raffreddamento, similmente a quanto accade per le pareti interne dei forni. La temperatura interna del condotto è tenuta sotto controllo con determinate portate d’acqua refrigerante. Nei primi tratti di condotto, lo scambio termico è determinato dal contributo prevalente dell’irraggiamento e la velocità dei gas ha un valore elevato che, ad esempio, può essere pari a circa 30-60 m/s.

Un ulteriore inconveniente delle apparecchiature di recupero energetico note è quello di avere rendimenti medi molto bassi, che provocano l’allungamento delle tempistiche di ammortamento, non consentendo un proficuo recupero dei costi di investimento sostenuti per l’installazione di tali apparecchiature.

Uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un’apparecchiatura e metodo per la moderazione delle temperature di prodotti gassosi di processi industriali che sia in grado di abbassare la temperatura massima e di innalzare la temperatura minima degli stessi prodotti gassosi, per ridurre la variabilità energetica dei flussi termici di questi ultimi e consentire un più agevole recupero energetico a valle del processo. Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di realizzare un’apparecchiatura che consenta di ottimizzare, riducendone i picchi e la varianza, i flussi energetici destinati ad un’utenza finale in grado di produrre energia, per permettere a tale utenza di operare in condizioni ottimali, riducendo gli sprechi.

Ancora un ulteriore scopo del trovato è quello di realizzare un’apparecchiatura per la gestione e la moderazione della temperatura dei reflui gassosi di processi industriali che sia efficiente, economica, e che abbia ingombri ridotti rispetto alle apparecchiature note.

Per ovviare agli inconvenienti della tecnica nota e per ottenere questi ed ulteriori scopi e vantaggi, il Richiedente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato è espresso e caratterizzato nelle rivendicazioni indipendenti. Le relative rivendicazioni dipendenti espongono altre caratteristiche del presente trovato o varianti dell’idea di soluzione principale.

In accordo con i suddetti scopi, un’apparecchiatura secondo il presente trovato, per la riduzione della variabilità delle temperature di prodotti gassosi caldi di processi produttivi e di servizio, è adatta ad essere associata ad una camera di contenimento nella quale fluiscono i suddetti prodotti gassosi caldi.

Secondo un aspetto del presente trovato, l’apparecchiatura comprende almeno un dispositivo moderatore, posizionato all’interno della suddetta camera di contenimento e avente almeno un primo contenitore, chiamato anche modulo, o guscio esterno, posto a diretto contatto con i prodotti gassosi caldi e realizzato con un materiale avente elevata conducibilità termica, elevata resistenza meccanica ed elevata resistenza a corrosione ed usura a temperature relativamente elevate, ad esempio un acciaio inossidabile.

II suddetto primo contenitore ha una forma cava definita da una prima parete laterale che delimita una cavità interna chiusa alle proprie estremità longitudinali. Nella cavità interna è inserito un primo corpo di riempimento realizzato con un primo materiale a cambiamento di fase opportunamente scelto, avente alta diffusività termica e temperatura di fusione circa uguale alla temperatura media dei suddetti prodotti gassosi caldi.

Il riempimento della cavità interna è parziale, in quanto viene lasciato, nella sua parte superiore, un volume libero denominato “volume di espansione”, per consentire le dilatazioni volumetriche del primo materiale a cambiamento di fase. Tali dilatazioni sono determinate dalla variazione di temperatura e dal cambiamento di fase solidoliquido.

Il volume di espansione è posto soto vuoto o in alternativa riempito di un gas inerte, come ad esempio C02. La dimensione del volume di espansione è opportunamente calcolata per tenere conto delle pressioni massime che si vogliono ottenere con il gas inerte alle temperature massime di funzionamento.

In questo modo, i prodotti gassosi caldi che fluiscono all’interno della camera di contenimento e investono il dispositivo moderatore, cedono calore a quest’ultimo quando hanno temperature superiori a quella di fusione del primo corpo di riempimento interno al primo contenitore e ricevono calore dal dispositivo moderatore quando hanno temperature inferiori.

Nei processi ciclici dove le temperature medie degli effluenti gassosi hanno valori compresi tra 550°C e 850°C, e temperature massime maggiori di 650°C, viene utilizzato, a titolo di esempio non limitativo, un primo materiale a cambiamento di fase a base di alluminio, puro o in lega, caratterizzato da temperature di fusione nell’ordine dei 650°C, altissima diffusività termica e alto calore latente di fusione. Infatti, il suddeto primo materiale a cambiamento di fase assorbe energia dai prodotti gassosi caldi per cambiare fase e liquefarsi, accumulando energia che in seguito restituisce ai prodotti gassosi stessi, cambiando nuovamente fase e tornando allo stato solido. Utilizzando come primo materiale a cambiamento di fase un metallo puro, oppure una lega bassofondente, si otiene che tale materiale lavora sempre in condizioni di transizione di fase, e pertanto è sempre in grado di assorbire o cedere energia ai prodotti gassosi.

Da quanto sopra consegue che la temperatura massima dei prodotti gassosi viene moderata, e quindi il suo valore massimo in ingresso nella camera di contenimento è sempre superiore a quello d’uscita. Analogamente, il valore della temperatura minima dei fumi in ingresso nella camera di contenimento è sempre inferiore a quello della temperatura che essi hanno in uscita.

Nelle tecnologie note di recupero energetico, le temperature minime dei fumi possono essere inferiori alle temperature del fluido termovettore, generando una dissipazione anziché un recupero.

Con il presente trovato, le temperature degli effluenti gassosi caldi sono costantemente al di sopra delle temperature del fluido termovettore, evitando le dissipazioni termiche normalmente presenti nei sistemi di recupero noti.

Da ciò deriva il doppio vantaggio che, a valle dell’apparecchiatura oggetto del trovato, i picchi di temperatura, sia superiori che inferiori, risultano attenuati, e che la differenza tra la temperatura massima e minima dei fumi è minore rispetto alla stessa differenza misurata a monte dell’apparecchiatura, con conseguente effetto moderatore, anche a fronte di una notevole variabilità in ingresso.

Poiché, come è noto, il recupero energetico è tanto più agevole e conveniente quanto più uniformi sono le temperature a cui esso viene effettuato, il presente trovato ha il vantaggio, riducendo la varianza dei fumi tra monte e valle dell’apparecchiatura, di migliorare l’efficienza di un’utenza di recupero eventualmente collegata a valle dell ’ apparecchiatura.

Ne consegue quindi che il presente trovato consente, in combinazione con un’impiantistica nota di recupero posta a valle dell’apparecchiatura di cui si discute, la produzione di energia elettrica ed eventualmente energia termica in cogenerazione ad elevato rendimento medio.

Inoltre, il dimensionamento del produttore di energia elettrica di tipo noto avrà una taglia nominale, inferiore a quella che esso avrebbe senza l’utilizzo del presente trovato, pari ad una potenza termica in ingresso pressoché equivalente alla media delle potenze termiche estratte dai fumi, evitando così sovradimensionamenti.

Inoltre, la riduzione dei picchi massimi di temperatura dei prodotti gassosi implica una vantaggiosa riduzione dei coefficienti di espansione dei gas e della loro portata reale, che comporta la riduzione anche delle perdite di carico delle linee di estrazione, adduzione e trattamento dei prodotti gassosi e di conseguenza delle potenze elettriche assorbite dai ventilatori di estrazione e delle sezioni di passaggio dei condotti fumi, dei sistemi di trattamento fumi.

Un ulteriore vantaggio del presente trovato risiede nel fatto che l’energia elettrica da recupero energetico che l’apparecchiatura di moderazione consente di ottenere ha un rilevante valore economico, perché prodotta con un fattore di utilizzo del produttore di energia elettrica molto elevato.

Inoltre, l’apparecchiatura oggetto del trovato consente di per sé il controllo delle temperature dei reflui gassosi di un impianto industriale, permettendo così la sostituzione completa o parziale degli impianti di raffreddamento noti, i quali sono ad acqua e comprendono complessi e costosi sistemi di dissipazione (torri evaporative, scambiatori, ecc.), di trattamento acqua, nonché la relativa circuiteria idraulica.

Secondo una variante del presente trovato, il suddetto primo contenitore del dispositivo moderatore contiene un corpo tubolare, disposto, in modo coassiale al primo contenitore, all’interno della suddetta cavità interna. La parete perimetrale del corpo tubolare delimita una seconda cavità, che può essere aperta verso l’esterno, oppure chiusa inferiormente dalla suddetta parete di fondo.

Tale conformazione riduce la sezione del materiale a cambiamento di fase e dunque le relative dilatazioni termiche. Minori dilatazioni inducono deformazioni più ridotte in corrispondenza dell’involucro esterno e comunque all’interno del limite elastico alla temperatura operativa. Risulta quindi che tale conformazione evita una possibile rottura a fatica indotta termicamente.

Inoltre, tale conformazione, a “doppio tubo”, del dispositivo moderatore permette a quest’ultimo di deformarsi sempre in campo elastico e quindi di evitare l’insorgere di deformazioni permanenti che potrebbero condurlo a rottura per fatica termica.

In un’ulteriore variante del presente trovato, il suddetto primo contenitore contiene anche almeno un secondo contenitore, la cui forma cava internamente è delimitata da una seconda parete laterale. Il secondo contenitore è interposto tra il primo contenitore ed il suddetto corpo tubolare, ed è coassiale ad entrambi. In questo modo, vengono definite una prima camera di scambio termico, compresa tra la prima e la seconda parete laterale, ed una seconda camera di scambio termico, interna alla seconda parete laterale.

All’interno della prima camera di scambio termico è contenuto il primo materiale a cambiamento di fase ad alta diffusività termica, mentre nella seconda camera di scambio termico è contenuto un secondo corpo di riempimento, realizzato con un secondo materiale a cambiamento di fase, avente alto calore latente di cambiamento di fase, e, rispetto al suddetto primo materiale a cambiamento di fase, basso peso specifico, ma generalmente, come caratteristica negativa, una bassa diffusività termica (ad esempio i sali fusi).

Accoppiando come descritto almeno un primo materiale a cambiamento di fase e almeno un secondo materiale a cambiamento di fase, il primo funge da trasferitore di energia, attraverso la seconda parete laterale, dai prodotti gassosi verso il secondo, il quale ha sostanzialmente la funzione di incrementare la capacità di accumulatore termico.

Tale capacità di accumulo consente sia un maggior prelievo di energia dai suddetti prodotti gassosi, sia una maggiore capacità di cessione di energia a questi ultimi, aumentando la funzione moderatrice dell’apparecchiatura di cui si discute.

Poiché normalmente i secondi materiali a cambiamento di fase, aventi bassa diffusività termica, hanno costi e pesi specifici inferiori rispetto ai primi materiali a cambiamento di fase, aventi alta diffusività termica, l’utilizzo di dispositivi moderatori comprendenti una pluralità di materiali a cambiamento di fase diversi consente di contribuire alla capacità termica di accumulo dell’apparecchiatura con bassi costi e pesi complessivi più contenuti.

Per sopperire alla bassa diffusività termica dei secondi materiali a cambiamento di fase, la seconda parete laterale e, di conseguenza, il secondo contenitore, sono sagomati in modo da avere vantaggiosamente un’alta superfìcie di scambio termico e spessori limitati, dell’ordine di pochi decimi di mm.

Combinando opportunamente i primi ed i secondi materiali a cambiamento di fase, è possibile ridurre i costi ed i pesi salvaguardando la funzionalità dell’apparecchiatura di moderazione.

In un’ulteriore variante del trovato, la parte superiore della suddetta cavità interna definisce almeno un vano, posto sotto vuoto oppure contenente un gas inerte, come ad esempio C02, per prevenire l’ossidazione dei materiali a cambiamento di fase contenuti nella cavità interna e/o nelle suddette camere di scambio termico.

È nello spirito di una variante del trovato prevedere che il coperchio sia provvisto di almeno un’apertura che mette in comunicazione il suddetto vano con la seconda cavità del dispositivo moderatore, delimitato dalla parete perimetrale del corpo tubolare. In questo modo il gas inerte, per effetto della pressione indotta dalla dilatazione termica dei materiali a cambiamento di fase, può fluire dall’interno del suddetto vano verso la seconda cavità ed esercitare una spinta radiale dall’interno di quest’ultima sul corpo tubolare. La spinta generata all’interno del vano è in grado di ripristinare il volume iniziale del materiale a cambiamento di fase nello stato in cui è liquido.

La pressione generata nell’involucro interno è superiore alla somma della pressione metallostatica massima e della resistenza elastica dello stesso involucro.

È un’ulteriore aspetto del trovato il prevedere che un elemento coibentante sia associato almeno all’estremità inferiore del contenitore immersa nei prodotti gassosi caldi, per ritardare la fusione della parte di primo materiale a cambiamento di fase situata in corrispondenza di tale estremità. Tale ritardo di fusione consente una liquefazione uniforme del primo materiale a cambiamento di fase, impedendo che si verifichi una fusione localizzata in alcune zone dell’estremità inferiore del contenitore, dovuta al fatto che in tali zone, quali spigoli o vertici, la superficie di scambio termico è maggiore e possono quindi crearsi ponti termici. La fusione uniforme del primo materiale a cambiamento di fase impedisce l’instaurarsi di sollecitazioni potenzialmente dannose per il contenitore.

Fa parte del presente trovato anche un metodo per la moderazione delle temperature di prodotti gassosi caldi di processi produttivi o di servizio, mediante un’apparecchiatura adatta ad essere associata ad una camera di contenimento nella quale fluiscono detti prodotti gassosi caldi, che prevede uno scambio di calore tra detti prodotti gassosi caldi ed almeno un primo materiale a cambiamento di fase avente alta diffusività termica e temperatura di fusione circa uguale alla temperatura media di detti prodotti gassosi caldi.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Queste ed altre caratteristiche del presente trovato appariranno chiare dalla seguente descrizione di una forma preferenziale di realizzazione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni in cui:

- la fig. 1 è una vista laterale, sezionata, di un’apparecchiatura secondo il presente trovato, associata ad un forno elettrico ad arco per la produzione di acciaio;

- la fig. 2 è una vista schematica in pianta di una sezione dell’apparecchiatura di fig. 1; - la fig. 3 è una vista in sezione di una prima forma di realizzazione di un dispositivo dell’apparecchiatura di fig. 1;

- la fig. 4 è un grafico dell’andamento delle temperature dei fumi a monte e a valle dell’apparecchiatura di fig. 1;

- la fig. 5a è una sezione longitudinale di una seconda forma di realizzazione di un dispositivo dell’apparecchiatura di fig. 1;

- la fig. 5b è una sezione secondo la linea V-V di fig. 5a;

- la fig. 6 è una prima variante del dispositivo di fig. 5a;

- la fig. 7 è una seconda variante di fig. 5a;

- la fig. 8 è una terza variante di fig. 5 a;

- la fig. 9 è una variante di fig. 8.

DESCRIZIONE DI ALCUNE FORME DI REALIZZAZIONE

Con riferimento alla fig. 1, un’apparecchiatura 10 secondo il presente trovato è utilizzata per la moderazione delle temperature di prodotti gassosi, o fumi 12, caldi ad esempio di un processo di fusione che avviene in un forno fusorio 11 di un impianto siderurgico. L’apparecchiatura 10 è altresì utilizzabile in associazione ad altri processi industriali o di servizio che generano prodotti gassosi caldi.

I fumi 12 escono dal forno fusorio 11 attraverso un condotto 13, e vengono convogliati da un primo condotto 14 verso una camera di sedimentazione 15, nella quale perdono parte del proprio contenuto di particolato e dalla quale escono attraversando un secondo condotto 16, che li convoglia verso successive apparecchiature di trattamento fumi o ad utenze di tipo noto in grado di produrre energia termica od elettrica, non rappresentate nelle figure allegate.

L’apparecchiatura 10 (figg. 1 e 2) è inserita nella camera di sedimentazione 15 ed è in costante contatto con i fumi 12 prodotti, per scambiare calore con questi ultimi. Tali fumi 12 caldi hanno alte temperature, tuttavia fortemente irregolari e variabili nel tempo, che, durante un ciclo produttivo, possono oscillare anche tra circa 200°C e circa 1.000°C.

L’apparecchiatura 10 comprende una pluralità di dispositivi moderatori 17, chiamati anche moduli, aventi una forma sostanzialmente cilindrica allungata lungo un asse longitudinale X verticale. Esemplificativamente, nel caso specifico i dispositivi moderatori 17 hanno lunghezza di circa 3300 mm e sono posizionati nella camera di sedimentazione 15 paralleli tra loro, a formare un reticolo ordinato in cui l’asse longitudinale X di ciascun dispositivo moderatore 17 è ortogonale alla direzione predominante del flusso dei fumi 12. Tale reticolo ordinato può prevedere ad esempio che i dispositivi moderatori 17 siano equidistanti tra loro secondo un passo di circa 120 mm l’uno dall’altro, ad evitare intasamenti.

Ciascun dispositivo moderatore 17 (figg. 2 e 3) comprende un primo contenitore 18 che funge da involucro esterno ed è a diretto contatto con i fumi 12. Il primo contenitore 18 ha sia funzione contenitiva e strutturale, sia funzione di scambiare il calore con i fumi 12, Per questi motivi, il primo contenitore 18 è realizzato con un materiale che, allo stesso tempo, ha elevata conducibilità termica, elevata resistenza meccanica ed elevata resistenza a corrosione ed usura a temperature relativamente elevate, come ad esempio un acciaio inossidabile.

Il primo contenitore 18 ha esemplificativamente una forma tubolare, nella fattispecie, ma solamente a titolo esemplificativo, a sezione trasversale circolare, definita da una prima parete laterale 19, avente 4 mm di spessore e diametro interno di circa 50 mm, che delimita una cavità interna 20 (fig. 3), chiusa ermeticamente alle due estremità da una parete di fondo 21 e da un coperchio 22.

La cavità interna 20 è riempita parzialmente con un primo corpo di riempimento 23 (fig. 2), realizzato in un primo materiale a cambiamento di fase (PCM 1), ad esempio alluminio, avente alta diffusività termica e temperatura di fusione prossima alla temperatura media dei fumi 12.

Tale riempimento, quando il PCM 1 è allo stato solido, non è totale, ma è previsto che una parte superiore della cavità interna 20 rimanga vuota, a definire un vano 24 che consente al primo corpo di riempimento 23 di espandersi per effetto del riscaldamento e del cambiamento di fase.

È pure previsto che il suddetto vano 24, contenuto nel coperchio 22 posizionato in testa al primo contenitore 18, venga posto sotto vuoto, oppure riempito con un gas inerte, ad esempio C02a definire un’atmosfera protetta. Ciò consente di preservare il PCM_1, specie se alluminio, da eventuali ossidazioni, che sono generalmente energeticamente favorite dalle elevate temperature.

La scelta di utilizzare l’alluminio come PCM_1, nel caso considerato del processo di fusione al forno fusorio 11, è vantaggiosa nel caso specifico in quanto l’alluminio ha una temperatura di fusione di circa 660°C ed i fumi 12 hanno una temperatura media di circa 600°C-700°C. L’alluminio consente di ottenere un PCM_1 avente un valore sostanzialmente puntuale della temperatura di transizione di fase.

Analogamente, possono essere utilizzati altri PCM_1 , ad esempio leghe eutettiche aventi un punto di eutettico nel range di temperature medie dei fumi 12.

Partendo da una condizione iniziale in cui il dispositivo moderatore 17 è allo stato solido e ad una temperatura inferiore ai fumi 12, il funzionamento dell’apparecchiatura 10 di cui si discute può essere descritto come segue.

I fumi 12 caldi, che nella camera di sedimentazione 15 lambiscono ciascun primo contenitore 18 cedono a quest’ultimo parte del proprio calore e di conseguenza, grazie anche alla conducibilità dell’acciaio inossidabile, riscaldano anche il PCM_1 del primo corpo di riempimento 23.

In particolare, poiché il flusso energetico scambiato tra i fumi 12 ed il PCM_1, con riferimento a quest’ultimo, è pari al prodotto tra la trasmittanza globale del sistema considerato, la superficie di scambio termico e la differenza di temperatura tra i fumi 12 ed il PCM_1, quando i fumi 12 sono più caldi del PCM_1 gli cedono energia, generando un flusso termico positivo rispetto al PCM_1.

Raggiunta la temperatura di fusione dell’alluminio, il PCM 1 passa progressivamente dallo stato solido allo stato liquido ed è in grado di accumulare ancora una determinata quantità di energia, compatibilmente con la propria capacità termica di transizione di fase. Poiché il summenzionato flusso termico positivo si sottrae al contenuto energetico dei fumi 12 all’ingresso della camera di sedimentazione 15, risulta che, all’uscita dalla stessa camera di sedimentazione 15, i fumi 12 hanno una temperatura T2 inferiore (linea continua di fig. 4) rispetto alla temperatura TI di ingresso (linea tratteggiata di fig. 4).

Un ciclo di produzione dell’acciaio comprende anche fasi in cui i fumi 12 transitano nella camera di sedimentazione 15 ad una temperatura TI inferiore a quella di fusione dell’alluminio, come avviene, ad esempio, durante le fasi di carica del rottame o di spillaggio. In queste condizioni, il PCM_1 fuso cede calore ai fumi 12, riscaldandoli, instaurando quindi un flusso energetico negativo rispetto al PCM_1. Poiché tale flusso termico negativo si sottrae al contenuto energetico dei fumi 12 all’ingresso della camera di sedimentazione 15, risulta che, all’uscita dalla camera di sedimentazione 15, i fumi 12 hanno una temperatura T2 superiore rispetto alla temperatura TI d’ingresso.

In questo modo, tramite l’instaurarsi di flussi termici positivi e negativi alternati, si ottengono sia la riduzione del valore massimo della temperatura TI dei fumi 12, sia l’aumento del valore minimo di Tl. Si ottiene inoltre una riduzione della differenza tra i due valori estremi, con la conseguente uniformazione dei flussi termici in uscita dalla camera di sedimentazione 15 nell’arco del ciclo produttivo.

Nello specifico caso considerato, il Richiedente, tramite simulazioni al calcolatore, ha ottenuto una riduzione della temperatura massima dei fumi 12 da circa 950°C (Tl) a circa 715°C (T2), un aumento della temperatura minima dei fumi 12 da circa 220°C (Tl) a circa 460°C (T2) e quindi una conseguente riduzione dell’intervallo di temperatura da circa 730°C a circa 255°C.

Ciò, di conseguenza, permette un miglior sfruttamento di un’eventuale utenza elettrica o termica posta a valle della camera di sedimentazione 15, in quanto consente sia di ridurre la taglia di quest’ultima in sede di progettazione, sia di utilizzarla in un range di temperature con elevati rendimenti di trasformazione e per tempi di utilizzo di durata maggiore.

In una variante del presente trovato (figg. 5a, 5b), il primo contenitore 18 contiene un corpo tubolare 25, avente una parete perimetrale 26 di spessore limitato e facile cedimento elastico e posizionato alTintemo del primo contenitore 18, nel caso di specie coassiale ad esso. Lo spazio esterno al corpo tubolare 25 compreso tra la prima parete laterale 19 e la parete perimetrale 26 del corpo tubolare 25 definisce la cavità interna 20, nella quale viene alloggiato il primo corpo di riempimento 23, mentre lo spazio interno interno al corpo tubolare 25 definisce una seconda cavità 27. La parete di fondo 21 ed il coperchio 22 chiudono ermeticamente la cavità interna 20 e la seconda cavità 27.

In fig. 5b è riportata una sezione trasversale di una delle possibili forme geometriche, a facile cedimento elastico, della parete perimetrale 26.

Tale soluzione “a doppio involucro” consente di ridurre gli sforzi radiali a cui è sottoposto il dispositivo moderatore 17, consentendo quindi a quest’ultimo di resistere meglio alla fatica indotta dalle dilatazioni termiche, in particolare quando le caratteristiche dei fumi 12 hanno maggiore variabilità.

In fig. 6 è riportata un’ulteriore variante del trovato, nella quale, oltre al corpo tubolare 25, il primo contenitore 18 del dispositivo moderatore 17 contiene anche un secondo contenitore 28, avente la forma di un tubo a parete sottile definita da una seconda parete laterale 29 e interposto tra il primo contenitore 18 ed il corpo tubolare 25.

Lo spazio compreso tra la prima parete laterale 19 e la seconda parete laterale 29 definisce una prima camera di scambio termico 30, mentre una seconda camera di scambio termico 31 è delimitata dalla seconda parete laterale 29 e dalla parete perimetrale 26. La prima camera di scambio termico 30 e la seconda camera di scambio termico 31 sono tra loro ermeticamente separate. Infatti, nella prima camera di scambio termico 30 viene inserito il primo corpo di riempimento 23, realizzato con il PCM_1, mentre nella seconda camera di scambio termico 31 viene inserito un secondo corpo di riempimento 32, realizzato con un secondo materiale a cambiamento di fase, di seguito PCM_2.

II PCM 2 ha elevato calore latente di cambiamento di fase, e, rispetto al PCM_1, bassa conduttività termica, minore temperatura di fusione, e basso peso specifico. Un esempio di PCM_2 sono i sali fusi, che fondono a circa 260°C. Per sopperire alla bassa conduttività termica del PCM_2, la seconda parete laterale 29, che in fig. 6 è rappresentata a simmetria assiale, può avere una qualsiasi forma che permetta di massimizzare la superficie di scambio termico con il PCM_1.

Le caratteristiche del PCM_2 sono tali per cui esso funge da accumulatore di energia, che gli viene trasmessa dal PCM_1, il quale a sua volta funge da trasferitore di energia, attraverso la seconda parete laterale 29, che è vantaggiosamente realizzata con lo stesso acciaio inossidabile con cui è realizzato il primo contenitore 18.

II flusso termico che si instaura tra il PCM_1 ed il PCM_2, con riferimento a quest’ultimo, è il risultato del prodotto tra la trasmittanza globale del sistema considerato, la superficie di scambio termico e la differenza tra la temperatura del PCM_1 e quella del PCM_2, ed è positivo quando il PCM_1 è più caldo del PCM_2, e negativo quando il PCM_1 è più freddo del PCM_2.

Complessivamente, il flusso termico risultante, considerando anche i fumi 12, con riferimento al PCM_1, è dato dalla differenza tra il flusso termico tra i fumi 12 ed il PCM 1 e il flusso termico tra il PCM 1 ed il PCM_2.

Se il flusso termico risultante è positivo, il PCM_1 assorbe energia dai fumi 12 e giunge progressivamente a fusione se allo stato iniziale era solido, mentre se il flusso termico risultante è negativo, il PCM_1 cede energia termica e progressivamente solidifica se allo stato iniziale era liquido.

Sebbene la variante sopra descritta sia riferita a due camere di scambio termico tra due materiali a cambiamento di fase, possono essere previste soluzioni con una pluralità di camere di scambio termico tra corrispondenti materiali a cambiamento di fase, a seconda delle esigenze impiantistiche e di processo. In questi casi, i PCM intermedi possono ricoprire il ruolo sia di trasferitori di energia, sia di accumulatori di energia, ciò in base alle fasi di processo e alle caratteristiche dei PCM adiacenti.

In una soluzione di variante, riportata in fig. 7, il vano 24 è posto in comunicazione con la seconda cavità 27 tramite aperture 33 ricavate nella parte superiore 34 del coperchio 22, che consentono al gas presente nel vano 24, generalmente C(3⁄4, di fluire da quest’ultimo nella seconda cavità 27. Per effetto della dilatazione termica del PCM_1, il primo corpo di riempimento 23 esercita una spinta radiale sulla prima parete laterale 19 e sulla parete perimetrale 26, che si deformano, anche in virtù del proprio spessore sottile. Quando il PCM_1 fonde, il primo corpo di riempimento 23 aumenta il proprio volume in senso longitudinale e comprime il gas presente nel vano 24, spingendolo nella seconda cavità 27. All’interno di quest’ultima, il gas esercita una pressione radiale sulla parete perimetrale 26, contraria e superiore a quella metallostatica esercitata dal metallo fuso dall’interno della cavità interna 20, contribuendo a recuperare le deformazioni dovute all’espansione del primo corpo di riempimento 23 allo stato solido.

Per limitare ulteriormente le summenzionate deformazioni, il dispositivo moderatore 17, in un’ulteriore soluzione di variante, riportata in fig. 8, prevede un isolamento termico della parete di fondo 21 tramite un corpo scatolare 35, cavo internamente, fissato all’estremità del primo contenitore 18 in corrispondenza della quale è presente la parete di fondo 21. Il corpo scatolare 35, che funge da elemento isolante, definisce una camera di contenimento 36, nella quale è contenuto un materiale isolante 37, che ha la funzione di ritardare il trasferimento di calore dai fumi 12 al primo contenitore 18, in modo da uniformare il tempo di fusione del PCM_1. Mentre in fig. 8 è rappresentato un isolamento termico dall’esterno della parete di fondo 21, in fig. 9 è illustrata una variante del presente trovato che prevede l’isolamento della parete di fondo 21 dall’interno. L’isolamento è ottenuto posizionando il materiale isolante 37 all’interno della seconda cavità 27.

In corrispondenza dell’estremità libera, infatti, la maggior superficie di scambio termico che si ha nelle zone periferiche, come ad esempio negli angoli, 0 negli spigoli, può portare ad una fusione localizzata del PCM_1 . In tali zone, la fusione localizzata può avere conseguenze anche dannose per il dispositivo moderatore 17, dovute alla pressione che il liquido esercita sul primo contenitore 18, nel caso in cui non vi sia la fusione immediata delle zone limitrofe.

È chiaro che all’apparecchiatura 10 e al metodo fin qui descritti possono essere apportate modifiche e/o aggiunte di parti, senza per questo uscire dall’ambito del presente trovato.

È anche chiaro che, sebbene il presente trovato sia stato descritto con riferimento ad alcuni esempi specifici, una persona esperta del ramo potrà senz’altro realizzare molte altre forme equivalenti di apparecchiatura e metodo aventi le caratteristiche espresse nelle rivendicazioni e quindi tutte rientranti nell’ambito di protezione da esse definito.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura per la moderazione, intesa come riduzione della varianza, delle temperature di prodotti gassosi caldi (12) di processi produttivi o di servizio, adatta ad essere associata ad una camera di contenimento (15) nella quale fluiscono detti prodotti gassosi caldi (12), caratterizzata dal fatto che comprende almeno un dispositivo moderatore (17), posizionato all’interno di detta camera di contenimento (15) e avente almeno un primo contenitore (18), posto a diretto contatto con detti prodotti gassosi caldi (12), per scambiare calore con questi ultimi, detto primo contenitore (18) avendo una forma cava definita da una prima parete laterale (19) che delimita una cavità interna (20) chiusa e contenente un primo corpo di riempimento (23) realizzato con un primo materiale a cambiamento di fase (PCM_1) avente alta diffusività termica e temperatura di fusione circa uguale alla temperatura media di detti prodotti gassosi caldi (12).
2. Apparecchiatura come nella rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto primo materiale a cambiamento di fase (PCM_1) è alluminio ad elevato grado di purezza.
3. Apparecchiatura come nella rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che detto primo contenitore (18) contiene almeno un corpo tubolare (25) cavo, disposto all’interno di detta cavità interna (20) e definito da una parete perimetrale (26) che delimita una seconda cavità (27) interna al corpo tubolare (25), aperta verso l’esterno di detto dispositivo moderatore (17).
4. Apparecchiatura come nella rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che detto primo contenitore (18) contiene almeno un corpo tubolare (25), disposto all’interno di detta cavità interna (20) e definito da una parete perimetrale (26) che delimita una seconda cavità (27) interna al corpo tubolare (25), chiusa inferiormente da una parete di fondo (21).
5. Apparecchiatura come in una o l’altra delle rivendicazioni 3 o 4, caratterizzata dal fatto che detto primo contenitore (18) contiene almeno un secondo contenitore (28), avente una forma cava internamente delimitata da una seconda parete laterale (29), detto secondo contenitore (28) essendo interposto tra detto primo contenitore (18) e detto corpo tubolare (25), per definire almeno una prima camera di scambio termico (30), compresa tra detta prima parete laterale (19) di detto primo contenitore (18) e detta seconda parete laterale (29) di detto secondo contenitore (28), e contenente detto primo corpo di riempimento (23), realizzato con detto primo materiale a cambiamento di fase (PCM_1), ed una seconda camera di scambio termico (31), compresa tra detta seconda parete laterale (29) di detto secondo contenitore (28) e detta parete perimetrale (26) di detto corpo tubolare (25) e contenente un secondo corpo di riempimento (32), realizzato con un secondo materiale a cambiamento di fase (PCM_2), avente alto calore latente di cambiamento di fase, e, rispetto a detto primo materiale a cambiamento di fase (PCM_1), basso peso specifico e bassa diffusività termica.
6. Apparecchiatura come in una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzata dal fatto che detto dispositivo moderatore (17) comprende almeno un vano (24), ricavato nella parte superiore di detta cavità interna (20) di detto primo contenitore (18) e contenente un gas inerte a contatto almeno con detto primo corpo di riempimento (23), per prevenire l’ossidazione almeno di detto primo materiale a cambiamento di fase (PCM_1) e che detto almeno un vano (24) è comunicante con detta seconda cavità (27) tramite almeno un’apertura (33), per permettere a detto gas inerte di fluire da detto vano (24) all’interno di detta seconda cavità (27), per esercitare su detta parete perimetrale (26) di detto corpo tubolare (25) una pressione radiale.
7. Apparecchiatura come in una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzata dal fatto che detto dispositivo moderatore (17) comprende almeno un elemento isolante (35), associato ad un’estremità di detto primo contenitore (18) per ritardare la fusione della parte di primo corpo di contenimento (23) situata in corrispondenza di detta estremità.
8. Metodo per la moderazione delle temperature di prodotti gassosi caldi (12) di processi produttivi di un impianto industriale, mediante un’apparecchiatura (10) adatta ad essere associata ad una camera di contenimento (15) nella quale fluiscono detti prodotti gassosi caldi (12), caratterizzato dal fatto che prevede uno scambio di calore tra detti prodotti gassosi caldi (12) ed almeno un primo materiale a cambiamento di fase (PCM_1) avente alta diffusività termica e temperatura di fusione circa uguale alla temperatura media di detti prodotti gassosi caldi (12).
9. Metodo come nella rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che comprende almeno una prima fase in cui almeno un dispositivo moderatore (17) viene posizionato aH’interno di detta camera di contenimento (15), prevedendo al suo interno detto primo materiale a cambiamento di fase (PCM_1) contenuto in una cavità interna (20) di almeno un primo contenitore (18), posto a diretto contatto con detti prodotti gassosi caldi (12), una seconda fase in cui detti prodotti gassosi caldi (12) scambiano calore con il primo corpo di riempimento (23) di detto dispositivo moderatore (17), e che detta seconda fase comprende una prima sottofase in cui detti prodotti gassosi caldi (12) cedono calore a detto primo corpo di riempimento (23) fino ad un primo cambiamento di fase, da solido a liquido, di detto primo materiale a cambiamento di fase (PCM_1), detti prodotti gassosi caldi (12) uscendo da detta camera di contenimento (15) con un contenuto energetico inferiore rispetto alla condizione d’ingresso.
10. Metodo come nella rivendicazione 8 o 9, caratterizzato dal fatto che detta seconda fase comprende una seconda sottofase in cui detti prodotti gassosi caldi (12) prelevano calore da detto primo corpo di riempimento (23) fino ad un secondo cambiamento di fase, da liquido a solido, di detto primo materiale a cambiamento di fase (PCM_1), detti prodotti gassosi caldi (12) uscendo da detta camera di contenimento (15) con un contenuto energetico superiore rispetto alla condizione d’ingresso.