ITPD20070066A1 - Caldaia e metodo di funzionamento di detta caldaia - Google Patents

Description

CALDAIA E METODO DI FUNZIONAMENTO DI DETTA CALDAIA

DESCRIZIONE

Campo di applicazione

La presente invenzione concerne una caldaia ed un metodo di funzionamento di detta caldaia secondo il preambolo della rivendicazione principale.

La caldaia di cui trattasi è destinata ad essere vantaggiosamente impiegata per scopi di per sé tradizionali ove si abbia necessità di disporre di un fluido vettore, quale ad esempio acqua, per il riscaldamento di ambienti ovvero per la produzione di acqua calda per uso sanitario.

Stato della tecnica

Come è noto, le caldaie attualmente a disposizione nel mercato prevedono di scambiare calore tra una sorgente di calore costituita da fumi caldi prodotti in un bruciatore a seguito della combustone di un combustibile quale gas o un derivato del petrolio, ed un fluido vettore solitamente costituito da acqua, il quale è atto a trasportare il calore prelevato dai fumi fino alle utenze per gli scopi più disparati generalmente per il riscaldamento di ambienti o per la produzione di acqua calda per uso sanitario.

Lo scambio termico tra i fumi ed il fluido vettore avviene generalmente attraverso uno scambiatore in ghisa o in acciaio ed a temperature tipicamente inferiori a 900° C. A tali regimi di temperature lo scambio termico nello scambiatore avviene per effetto di fenomeni di convezione termica e di irraggiamento sostanzialmente in misura uguale.

La quantità d’aria solitamente utilizzata è in eccesso rispetto al gas per realizzare una reazione particolarmente ossidante volta a sfruttare completamente la combustione del combustibile.

Al fine di aumentare il rendimento delle caldaie di tipo noto si sono recentemente diffuse caldaie a condensazione che sfruttano non solo il calore che nasce dalla combustione (potere calorifico inferiore p.c.i.) ma anche il calore latente del vapore acqueo contenuto nei gas di scarico (potere calorifico superiore). Questa tecnica consente quindi di sfruttare energia che altrimenti andrebbe espulsa dal camino con i gas di scarico. Durante la condensazione il calore latente viene ceduto dai gas all’acqua. Sfruttando questa tecnica la temperatura dei gas di scarico, che vengono espulsi dalla caldaia, è solo leggermente superiore alla temperatura di ritorno dell’acqua in caldaia consentendo quindi il raggiungimento di rendimenti elevati. La condensazione dell’umidità presente nei fumi dipende oltre che dalla temperatura di ritorno dell’ acqua in caldaia anche dal contenuto residuo di ossigeno nei fumi di combustione.

Le caldaie di tipo noto non garantiscono reazioni chimiche di combustione stechiometriche e danno origine a queste temperature alla creazione di numerosi prodotti di combustione che determinano l’immissione in atmosfera di numerosi inquinanti.

Tipicamente gli inquinanti emessi dalle caldaie sono di tipo gassoso, quali ozono, ossidi di azoto, anidride solforosa ecc. e di tipo solido, quali particelle di incombusti, aggregati di condensazione, particelle carboniose ecc..

Al fine di abbattere gli inquinanti nei fumi delle caldaie sono stati messe a punto apparecchiature da disporre ad intercettazione dei fumi a valle della caldaia. Un esempio di tale apparecchiatura è descritto nel brevetto DE 19824204 che fa uso di un catalizzatore per separare gli inquinati gassosi. Un altro esempio di apparecchiatura è descritto nel brevetto DE 19627028 che prevede l' impiego di un filtro ceramico per separare le particelle inquinanti e di un catalizzatore per separare quelle gassose.

Tali note apparecchiature penalizzano il rendimento complessivo dell’impianto per la produzione di calore e poiché agiscono a valle del bruciatore della caldaia non consentono a quest’ ultima di ottimizzare la propria combustione.

Infatti, le particelle in particolare di incombusti che vengono rilasciate durante la combustione penalizzano pesantemente lo scambio termico nello scambiatore, riducendo il rendimento della caldaia.

Presentazione dell’ invenzione

In questa situazione, scopo essenziale del presente trovato è pertanto quello di ovviare agli inconvenienti manifestati dalle caldaie di tipo noto, mettendo a disposizione una caldaia nonché un metodo di funzionamento di detta caldaia che consentano di aumentare l' efficienza della caldaia.

Un altro scopo del presente trovato è quello di mettere a disposizione una caldaia nonché un metodo di funzionamento di detta caldaia in grado di abbattere la produzione di inquinanti.

Un altro scopo del presente trovato è quello di mettere a disposizione una caldaia nonché un metodo di funzionamento di detta caldaia operativamente del tutto sicuri. Ulteriore scopo del presente trovato è quello di mettere a disposizione una caldaia sem da installare ed operativamente del tutto affidabile.

Ulteriore scopo del presente trovato è quello di mettere a disposizione una caldaia ad ingombro particolarmente limitato rispetto alla potenza prodotta.

Breve descrizione dei disegni

Le caratteristiche tecniche del trovato, secondo i suddetti scopi, sono chiaramente riscontrabili dal contenuto delle rivendicazioni sottoriportate ed i vantaggi dello stesso risulteranno maggiormente evidenti nella descrizione dettagliata che segue, fatta con riferimento ai disegni allegati, che ne rappresentano una forma di realizzazione puramente esemplificativa e non limitativa, in cui:

- la figura 1 mostra una vista schematica d’insieme della caldaia oggetto della presente invenzione, con una parte in sezione per meglio evidenziare altre parti; - la figura 2 mostra una vista in sezione trasversale della caldaia oggetto della presente invenzione con alcune parti asportate per meglio evidenziarne altre; - la figura 3 mostra una vista prospettica di un particolare ingrandito della caldaia oggetto della presente invenzione relativo al gruppo di alimentazione di combustibile aria comburente;

- la figura 4 mostra una vista prospettica di un particolare ingrandito della caldaia oggetto della presente invenzione relativo ad uno scambiatore a piastre;

Descrizione dettagliata di un esempio di realizzazione preferita Conformemente alle figure dei disegni allegati, è stata indicata nel suo complesso con 1 la caldaia oggetto del presente trovato.

Essa comprende una struttura di supporto 2, che può essere di tipo di per sé del tutto tradizionale e preferibilmente è destinata a realizzare un appoggio al terreno, ed un bruciatore 3 montato sulla struttura di supporto 2, nella cui camera di combustione 4 viene iniettata, mediante un opportuno gruppo di alimentazione 10, una miscela di aria comburente e combustibile per la generazione attraverso reazioni di ossidazione di un flusso di fumi caldi indicati con frecce 5.

L’entalpia generata dalla combustione presente nei fumi viene trasferita ad un fluido vettore 6 di un circuito idraulico, costituito preferibilmente da acqua, mediante opportuni mezzi di scambio termico che, in accordo con la presente invenzione, sono ottenuti in almeno due stadi in successione attraverso un primo ed un secondo scambiatore di calore rispettivamente indicati con 7 e 8.

Secondo l’idea alla base della presente invenzione è previsto un condotto 9 in materiale ceramico disposto all’ interno della camera di combustione 4 per convogliare i fumi tra il primo scambiatore 7 ed il secondo scambiatore 8 mentre a sua volta il gruppo di alimentazione 10 è formato da una pluralità di ugelli 11 disposti distanziati all’interno del bruciatore 3, attorno al condotto 9 e suscettibili di generare una fiamma atta a lambire o ad andare in contatto con la superficie esterna del condotto 9.

Il condotto 9 in materiale ceramico raggiunge in questo modo temperature molto elevate e tipicamente comprese nell’ intervallo tra i 1200-2200°C e preferibilmente tra i 1500 ed i 1800°C.

In accordo con la forma realizzativa preferenziale e non limitativa illustrata negli uniti disegni, la camera di combustione 4 del bruciatore 3 ha forma anulare con il condotto 9 disposto coassialmente al suo interno lungo l’asse verticale Z. Gli ugelli 1 1 del gruppo di alimentazione 10 sono organizzati intorno al condotto 9 in una o più traiettorie sostanzialmente circolari, e sono orientati in modo tale da investire il condotto 9 con la fiamma generata dalla miscela emessa con direzione dall’alto verso il basso lungo sostanzialmente l’intera lunghezza del condotto 9 per uniformare le temperature lungo il suo intero sviluppo.

Vantaggiosamente, il materiale ceramico scelto è carburo di silicio.

Al fine di favorire l’uniformità di temperatura lungo tutto il condotto 9, il gruppo di alimentazione 10 è composto da più gruppi di ugelli 11 (tre gruppi in accordo con l’esempio delle allegate figure) disposti su anelli concentrici 12 e ciascuno orientato con gli ugelli 11 per raggiungere con la fiamma il condotto 9 ad altezze differenti. L’elevata temperatura raggiunta dal condotto 9 determina una pressione di radiazione elevata suscettibile di trasmettere al mantello del primo scambiatore 7 una elevata entalpia che aumenta le prestazioni della caldaia 1.

Come è noto l’energia trasmessa per irraggiamento segue una legge che varia con la quarta potenza della temperatura.

L’uso della ceramica all’ interno della caldaia consente il raggiungimento temperature molto elevate capaci di irraggiare potenze termiche elevate aumentando il rendimento degli scambi termici con il fluido vettore. Un ulteriore vantaggio della ceramica concerne la bassa ossidazione e quindi la lunga durata delle parti formate da questo materiale.

L’elevata temperatura raggiunta dal condotto 9 unitamente alla elevata inerzia termica portano in rapida combustione le eventuali particelle di incombusti che venissero contatto con esso.

Inoltre, la sovrapposizione ai bordi delle fiamme dei gruppi di ugelli 11 determina una maggiore possibilità di bruciare tutte le particelle di incombusti che tipicamente si concentrerebbero nelle zone più fredde della fiamma.

La miscela immessa dagli ugelli 11 è tale da creare una combustione non stechiometrica, povera di ossigeno rispetto alla reazione stechiometrica e tale da lasciare degli incombusti in una piccola percentuale ad esempio dell’ ordine dello 0, 1 %o fino a qualche percento. I fumi prodotti (sin gas) contengono vapore d’acqua CO2ed H2e quindi ancora dell’energia da utilizzare.

Tale combustione è intrinsecamente sicura rispetto alle possibilità di esplosione di una combustione stechiometrica.

I fumi caldi prodotti dalla combustione si raffreddano a contatto con il primo scambiatore 7 che circonda la camera di combustione 3 come mantello esterno. Il primo scambiatore 7 abbassa la temperatura dei fumi in un intervallo di temperature compreso tra 700 e 900°C, con ciò favorendo la produzione di inquinanti quali agglomerati riducenti, incombusti e particelle in particolare carboniose.

Il primo scambiatore 7 è vantaggiosamente provvisto da più intercapedini separate da setti ovvero da camicie o condotte di convogliamento del liquido entro cui sono riposti tubi di fumo.

In una zona percorsa dai fumi del primo scambiatore 7 ove è presente un flusso stabilizzato è inserita una sonda lambda 12 in grado di rilevare mediante analisi delle radiazioni emesse la quantità di ossigeno presente nei fumi a valle del bruciatore 3. Lo scopo di tale sonda 12 verrà chiarito nel seguito.

Una volta uscito dal primo scambiatore 7, il flusso di fumi entra del condotto 9 attraverso la prima estremità 13 posta nella parte inferiore della caldaia 1.

All’ interno del condotto 9 i fumi tornano a scaldarsi repentinamente per dare luogo ad una post combustione per bruciare detti inquinanti e detti incombusti.

Il condotto 9 presenta preferibilmente una temperatura sulla superficie esterna compresa nell’ intervallo di 1500-1900 °C ed una temperatura sulla superficie interna compresa nell’ intervallo di 800-1200°C.

La suddetta post combustione è favorita dall’immissione nel condotto 9 a partire dalla estremità inferiore 13, di una portata di ossigeno mediante almeno un iniettore 14 ed in misura preferibilmente compresa tra 0,3 e 0,6 m /h. Tale immissione è regolata in modo preciso dalla sonda lambda che rileva quanto ossigeno hanno bisogno i fumi per compiere una combustione finale perfettamente stechiometrica che determini la completa combustione di tutti gli incombusti.

La stessa sonda lambda ovvero un’altra sonda od un altro sensore determina invece sempre mediante la rilevazione dell’ossigeno presente nei gas combusti prodotti dalla prima combustione, il controllo della miscela immessa dagli ugelli per creare la prima combustione non stechiometrica, che come detto sarà leggermente povera di ossigeno. Preferibilmente, la miscela sarà mantenuta povera di ossigeno compatibilmente con la capacità di rilevamento della sonda lambda.

È da preferire anche, se non in modo esclusivo, l' immissione di ossigeno rispetto all'immissione di aria per evitare rinserimento di azoto che potrebbe nuovamente portare alla formazione di composti indesiderati.

L’impianto per rimmissione della portata di ossigeno potrà assorbire anche solo 1 kw di potenza e comprende preferibilmente un compressore, un deumidificatore, un serbatoio dell’ aria compressa deumidificata, un separatore a filtro molecolare ed un serbatoio dell’ossigeno.

L’innesco della post combustione nella condotta 9 è ulteriormente favorita dalla predisposizione di una torcia al plasma o di un ugello post combustore da 1-3 kw di potenza per l'immissione di combustibile posti anch’essi in corrispondenza della prima estremità 13 del condotto 9.

Inoltre, anche l’irraggiamento della parete interna del condotto 9 favorisce la combustione dei fumi che attraversano la condotta medesima in un tempo preferibilmente compreso tra 0,6 ed 1 secondo e preferibilmente intorno a 0, 8 sec. Pertanto, i fumi in uscita dal condotto ceramico hanno esaurito nella post combustione stechiometrica le particelle di incombusti che erano ancora presenti ed hanno bruciato anche tutte le particelle carboniose che si erano addensate nella fase a bassa temperatura (intorno agli 800 °C) a seguito del raffreddamento subito nel primo scambiatore 7.

Vantaggiosamente, i dati sperimentali hanno potuto evidenziare bassissime emissioni di inquinanti sia gassosi sia solidi in uscita dalla caldaia oggetto della presente invenzione.

I fumi caldi in uscita dalla seconda estremità 15 del condotto 9 in materiale ceramico passano del secondo scambiatore 8, per cedere calore al fluido vettore che vantaggiosamente è già stato parzialmente riscaldato nel primo scambiatore 7.

La caldaia 1 è mantenuta in depressione attraverso un ventilatore 21 posto a valle del secondo scambiatore 8 sul camino di espulsione dei fumi 22.

Il secondo scambiatore 8 è uno scambiatore a piastre 16 sovrapposte contenute all’intemo di una camicia cilindrica 17 ed attraversate longitudinalmente da canali 18 di fluido vettore e trasversalmente dai fumi.

Vantaggiosamente, per aumentare lo scambio termico nel secondo scambiatore 8, il flusso dei fumi entra nella apertura centrale 19 e viene indirizzato da apposite chiusure 40 ad attraversare le piastre 16 orizzontalmente fino alla camicia esterna 17, come indicato dalle frecce in figura 4, per entrare sullo strato superiore di piastre 16 mentre il fluido vettore passa nei condotti verticali 18 connessi alle estremità con collettori ad U 20.

Il secondo scambiatore serve principalmente per regolare la temperatura dei fumi ad un valore ottimale fisso di esercizio (ad esempio di 95°) al di sotto della temperatura di rugiada per recuperare tutta l' energia di condensazione ed al contempo sufficiente per consentire la regolare evacuazione dei fumi. Tale temperatura ottimale è mantenuta retro-azionando nel valore della temperatura il funzionamento del secondo scambiatore in modo che quando la temperatura scende al di sotto del valore ottimale impostato abbia luogo una minore circolazione di flusso d’acqua nel secondo scambiatore e quando la temperatura sale oltre tale valore abbia al contrario luogo una maggiore circolazione di liquido nel secondo scambiatore.

Ovviamente, il valore della temperature dei fumi è preso mediante una apposito sensore posto nel loro passaggio.

Vantaggiosamente potrà essere previsto un unico circuito di acqua di scambio termico in cui la portata di fluido vettore viene indirizzata in modo regolato al secondo scambiatore mediante una valvola. Pertanto sono preferibilmente previsti due corpi di scambiatore tra loro del tutto distinti e separati ed alimentati da un unico circuito di scambio termico.

In accordo con una caratteristica preferenziale della caldaia 1 gli ugelli 11 sono organizzati sugli anelli con orientazione atta a determinare un flusso di fumi nella camera di combustione 4 con traiettoria ad andamento elicoidale attorno al condotto 9.

Tale traiettoria determina per effetto della semplice energia cinetica un effetto di filtro a vortice che porta alla separazione meccanica delle particelle di massa maggiore, che possono essere facilmente raccolte sul fondo della caldaia e quindi espulse durante la regolare manutenzione.

Vantaggiosamente, in accordo con una variante realizzativa della presente invenzione le pareti del condotto 9 in materiale ceramico presentano porosità atta a consentire il passaggio pulito e filtrato di una portata di gas caldo all’ interno del condotto che aumenta la temperatura favorendo la post combustione.

Forma inoltre oggetto della presente invenzione un metodo di funzionamento della caldaia sopra descritta il quale comprende, una prima fase di combustione per la generazione di fumi caldi destinati a scambiare potenza termica con un fluido vettore in un primo scambiatore e riscaldare un condotto in materiale ceramico, una seconda fase di combustione all’intemo di detto condotto di residui incombusti e inquinanti presenti nei fumi ed una portata di ossigeno immessa in detto condotto in misura controllata da una sonda lambda.

Il trovato così concepito raggiunge pertanto gli scopi prefissi.

Ovviamente esso potrà assumere, nella sua realizzazione pratica, anche forme e configurazioni diverse da quella sopra illustrata senza che, per questo, si esca dal presente ambito di protezione. Inoltre tutti i particolari potranno essere sostituiti da elementi tecnicamente equivalenti e le forme, le dimensioni ed i materiali impiegati potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Caldaia la quale comprende: - una struttura di supporto; - un bruciatore montato su detta struttura di supporto, suscettibile di bruciare una miscela di aria comburente e combustibile per la generazione di un flusso di fumi caldi; - mezzi per trasferire calore da detti fumi ad un circuito idraulico di un fluido vettore quale in particolare acqua, detti mezzi per trasferire calore essendo provvisti di almeno un primo scambiatore di calore e di almeno un secondo scambiatore di calore suscettibili di scambiare calore con detti fumi caldi in successione; caratterizzata dal fatto di comprendere: - almeno un condotto in materiale ceramico disposto all’ interno di detto bruciatore, suscettibile di convogliare detti fumi tra detto primo scambiatore e detto secondo scambiatore; - una pluralità di ugelli per l' immissione di detta miscela disposti distanziati all’ interno di detto bruciatore, attorno a detto condotto e suscettibili di generare una fiamma a contatto con la superficie esterna di detto condotto.
2. 2. Caldaia secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la combustione di detta miscela è povera di ossigeno rispetto alla reazione stechiometrica lasciando incombusti in una percentuale atta ad evitare fenomeni di esplosione, e caratterizzata dal fatto che detto primo scambiatore abbassa la temperatura di detti fumi in un intervallo di temperature compreso tra 700 e 900°C, con ciò favorendo la produzione di inquinanti quali agglomerati riducenti, e particelle in particolare carboniose.
3. 3. Caldaia secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che aH’intemo di detto condotto è realizzata una post combustione per bruciare detti incombusti e detti inquinanti.
4. 4. Caldaia secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detta post combustione è favorita dal'limmissione all’interno di detto condotto, mediante almeno un iniettore, di un flusso di aria o di un flusso di ossigeno.
5. 5. Caldaia secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detta post combustione è favorita da una torcia al plasma o da un ugello post combustore di miscela posti all’ interno di detto condotto, per innescare la combustione di detti inquinanti.
6. 6. Caldaia secondo la rivendicazione 3 , caratterizzata dal fatto che detto flusso di aria o di ossigeno immesso in detto condotto è regolato da una sonda lambda atta a rilevare mediante analisi delle radiazioni emesse la quantità di ossigeno presente nei fumi a valle del bruciatore.
7. 7. Caldaia secondo la rivendicazione 1 , caratterizzata dal fatto che la superficie esterna di detto condotto è compresa nell’ intervallo di 1500-1900°C.
8. 8. Caldaia secondo la rivendicazione 1 , caratterizzata dal fatto che la superficie interna di detto condotto è compresa nell’ intervallo di 800-1200°C.
9. 9. Caldaia secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta pluralità di ugelli è organizzata in gruppi di ugelli ciascuno orientato per raggiungere con la fiamma il condotto ad altezze differenti.
10. 10. Caldaia secondo la rivendicazione 1 , caratterizzata dal fatto che gli ugelli di detta pluralità di ugelli sono orientati per determinare un flusso di fumi con andamento elicoidale attorno a detto condotto.
11. 1 1. Caldaia secondo la rivendicazione 1 , caratterizzata dal fatto che detto primo scambiatore è comprende una camicia di contenimento del fluido vettore entro cui sono immersi una pluralità di tubi di fumo.
12. 12. Caldaia secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto secondo scambiatore è posto in uscita dalla seconda estremità di detto condotto e presenta una pluralità di piastre contenute all’ interno di una camicia cilindrica attraversate longitudinalmente da canali di fluido vettore e trasversalmente da detti fumi.
13. 13. Caldaia secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto secondo scambiatore regola la temperatura in uscita dei fumi ad un valore di esercizio al di sotto della temperatura di rugiada mediante un commando di retroazione basato sul valore della temperatura dei fumi per regolare conseguentemente la portata di flusso d’acqua nel secondo scambiatore al fine di mantenere nei fumi il suddetto valore diesercizio della temeperatura.
14. 14. Metodo di funzionamento della caldaia secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere una prima fase di combustione per la generazione di fumi caldi destinati a scambiare potenza termica con un fluido vettore in un primo scambiatore e riscaldare un condotto in materiale ceramico, una seconda fase di combustione di detto condotto di residui incombusti e inquinanti presenti nei fumi ed una portata di ossigeno immessa in detto condotto in misura controllata da una sonda lambda.