TITOLO: "Bruciatore ad elevata stabilità perimetrale "TITLE: "Burner with high perimeter stability"
DESCRIZIONEDESCRIPTION
La presente invenzione riguarda un bruciatore per caldaia a gas ad elevata stabilità perimetrale.The present invention relates to a burner for a gas boiler with high perimeter stability.
Le caldaie a gas della tecnica nota comprendono: un condotto per l’alimentazione di un bruciatore con una miscela gas-aria premiscelata, un bruciatore per la produzione di calore mediante combustione di detta miscela in una camera di combustione, ed eventualmente un elemento di supporto collegabile allo scambiatore di calore e/o al condotto per l’alimentazione per assicurare la chiusura della camera di combustione e/o per il posizionamento del bruciatore rispetto a tale camera di combustione.The gas boilers of the known art comprise: a duct for the supply of a burner with a premixed gas-air mixture, a burner for the production of heat by combustion of said mixture in a combustion chamber, and possibly an element of combustion support that can be connected to the heat exchanger and / or to the supply duct to ensure the closure of the combustion chamber and / or to position the burner with respect to this combustion chamber.
Il bruciatore comprende un diffusore attraverso il quale viene convogliato il gas premiscelato di combustibile e aria e il quale determina uno schema di fiamme per la produzione di calore. Solitamente il diffusore comprende una parete dotata di una pluralità di aperture ed avente una superficie interna in collegamento di flusso con il condotto di alimentazione, e pertanto a contatto con la miscela non combusta, ed una superficie esterna sulla quale avviene la combustione.The burner comprises a diffuser through which the premixed fuel and air gas is conveyed and which determines a pattern of flames for the production of heat. Usually the diffuser comprises a wall provided with a plurality of openings and having an internal surface in flow connection with the supply duct, and therefore in contact with the unburnt mixture, and an external surface on which combustion takes place.
A monte del diffusore (con riferimento alla direzione di flusso della miscela gas-aria) può essere inoltre previsto un dispositivo di distribuzione, o distributore, disposto sul lato del diffusore opposto alla superficie di combustione, solitamente comprendente una parete con una pluralità di aperture passanti, configurato in modo tale da distribuire la miscela gas-aria in modo sostanzialmente uniforme o comunque nel modo desiderato verso la parete del diffusore.Upstream of the diffuser (with reference to the flow direction of the gas-air mixture), a distribution device, or distributor, can also be provided, arranged on the side of the diffuser opposite the combustion surface, usually comprising a wall with a plurality of through openings , configured in such a way as to distribute the gas-air mixture in a substantially uniform way or in any case in the desired way towards the wall of the diffuser.
Come à ̈ ben noto, il calore prodotto dalla combustione sul lato esterno della parete del diffusore viene veicolato mediante i gas di combustione caldi ad uno scambiatore di calore per il riscaldamento di un fluido, ad esempio acqua, che viene successivamente convogliato ad un utilizzo, per esempio ad un sistema di riscaldamento di un processo industriale, di ambienti abitativi o simili e/o di acqua sanitaria.As is well known, the heat produced by combustion on the external side of the diffuser wall is conveyed by means of the hot combustion gases to a heat exchanger for heating a fluid, such as water, which is subsequently conveyed to use. for example to a heating system of an industrial process, of living spaces or the like and / or of sanitary water.
A causa delle specifiche esigenze di un riscaldamento controllato e differenziato, Ã ̈ indispensabile poter variare la potenza di riscaldamento del bruciatore.Due to the specific needs of controlled and differentiated heating, it is essential to be able to vary the heating power of the burner.
E' possibile pilotare la potenza di riscaldamento del bruciatore attraverso la variazione della portata del combustibile o della miscela alimentata al diffusore. Tuttavia, l'ampiezza dell'intervallo di potenza di riscaldamento ovvero la cosiddetta modulazione (rapporto tra potenza minima e potenza massima) dei bruciatori della tecnica nota à ̈ limitata. Ciò à ̈ dovuto al fatto che, quando la portata di combustibile fuoriesce da un intervallo ottimale che dipende dal materiale, dall'area specifica di passaggio (quoziente tra l'area di passaggio e l'area di parete) e dalla resistenza del diffusore al flusso di miscela, si verificano problemi di instabilità della fiamma che pregiudicano il corretto funzionamento del bruciatore.It is possible to control the heating power of the burner by varying the flow rate of the fuel or of the mixture fed to the diffuser. However, the width of the heating power range or the so-called modulation (ratio between minimum power and maximum power) of the burners of the known art is limited. This is due to the fact that, when the fuel flow rate leaves an optimal range that depends on the material, the specific passage area (quotient between the passage area and the wall area) and the resistance of the diffuser to the flow of mixture, flame instability problems occur which jeopardize the correct functioning of the burner.
In particolare, all’aumentare della potenza di riscaldamento, la zona di combustione, e quindi la fiamma, tende ad allontanarsi dal diffusore con gravi conseguenze dal punto di vista della sicurezza e delle emissioni di sostanze inquinanti, quali il monossido di carbonio (CO).In particular, as the heating power increases, the combustion area, and therefore the flame, tends to move away from the diffuser with serious consequences from the point of view of safety and emissions of polluting substances, such as carbon monoxide (CO ).
Tale fenomeno di allontanamento della fiamma dal diffusore à ̈ particolarmente rilevante in corrispondenza delle estremità del diffusore.This phenomenon of removal of the flame from the diffuser is particularly relevant at the ends of the diffuser.
Tali estremità , infatti, sono collegate con il telaio del bruciatore per cui la temperatura del diffusore, in tali aree, à ̈ inevitabilmente inferiore rispetto alle restanti aree.These ends, in fact, are connected with the burner frame so that the temperature of the diffuser, in these areas, is inevitably lower than in the remaining areas.
Per risolvere questo problema, à ̈ noto l’uso di distributori aggiuntivi in prossimità del diffusore oppure l’uso di diffusori opportunamente sagomati mediante stampaggio. Entrambe le soluzioni sono però complesse da realizzare e incidono in maniera rilevante sui costi di fabbricazione del bruciatore.To solve this problem, it is known the use of additional distributors near the diffuser or the use of diffusers suitably shaped by molding. However, both solutions are complex to implement and significantly affect the manufacturing costs of the burner.
Lo scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di mettere a disposizione un bruciatore che ovvi ai suddetti problemi di instabilità della fiamma, ed in particolare al problema di distacco di fiamma e che sia al contempo semplice ed economico da produrre.The object of the present invention is therefore to provide a burner which overcomes the aforementioned problems of flame instability, and in particular the flame detachment problem, and which is at the same time simple and economical to produce.
Questo ed altri scopi vengono raggiunti mediante un bruciatore a gas per caldaia comprendente un diffusore, atto a diffondere gas di combustione premiscelati in una camera di combustione, ciascuna sezione trasversale di detto diffusore presentando un raggio di curvatura uniforme, in cui detto diffusore comprende una porzione centrale di diffusore e due porzioni longitudinalmente periferiche di diffusore, dette due porzioni longitudinalmente periferiche di diffusore essendo collegate tra loro da detta porzione centrale di diffusore, detta porzione centrale di diffusore estendendosi longitudinalmente in una direzione perpendicolare al flusso dei gas di combustione per una lunghezza l maggiore di zero e presentando una sezione trasversale avente la forma di arco di circonferenza di raggio r, ciascuna di dette porzioni longitudinalmente periferiche di diffusore avendo la forma di una porzione di sfera di raggio r.This and other purposes are achieved by means of a gas burner for a boiler comprising a diffuser, adapted to diffuse premixed combustion gases in a combustion chamber, each cross section of said diffuser having a uniform radius of curvature, in which said diffuser comprises a portion diffuser central portion and two longitudinally peripheral portions of diffuser, said two longitudinally peripheral portions of diffuser being connected to each other by said central portion of diffuser, said central portion of diffuser extending longitudinally in a direction perpendicular to the flow of combustion gases for a length l greater than zero and having a cross section having the shape of an arc of circumference of radius r, each of said longitudinally peripheral portions of diffuser having the shape of a sphere portion of radius r.
Grazie a tale particolare conformazione del diffusore à ̈ possibile conseguire una stabilità di fiamma anche in caso di aumento della potenza di riscaldamento e anche in corrispondenza delle estremità del diffusore.Thanks to this particular shape of the diffuser, it is possible to achieve flame stability even in the event of an increase in the heating power and also at the ends of the diffuser.
In particolare, la suddetta conformazione consente di ottenere una direzione del flusso dei gas di combustione in uscita dal diffusore la cui componente nella direzione perpendicolare alla superficie del diffusore in corrispondenza dei suoi bordi à ̈ sostanzialmente nulla. In tal modo à ̈ possibile ridurre il flusso di miscela in corrispondenza dei bordi ed evitare il fenomeno di distacco di fiamma, anche con modulazioni di potenza elevate.In particular, the aforesaid conformation allows to obtain a direction of the flow of the combustion gases leaving the diffuser whose component in the direction perpendicular to the surface of the diffuser at its edges is substantially zero. In this way it is possible to reduce the mixture flow at the edges and avoid the flame detachment phenomenon, even with high power modulations.
Nel presente contesto il termine “direzione di flusso dei gas†indica la direzione principale del flusso dei gas.In this context, the term â € œdirection of gas flowâ € means the principal direction of gas flow.
Ai fini della presente invenzione, la dicitura “la sezione trasversale presenta un raggio di curvatura uniforme†indica che ciascun punto della sezione trasversale ha lo stesso raggio di curvatura, ovvero appartiene alla stessa circonferenza ipotetica presentante tale raggio.For the purposes of the present invention, the term â € œthe cross section has a uniform radius of curvature "indicates that each point of the cross section has the same radius of curvature, that is, it belongs to the same hypothetical circumference having this radius.
Per meglio comprendere l'invenzione ed apprezzarne i vantaggi, verrà di seguito fornita una descrizione di alcune forme di realizzazione esemplificative non limitative del bruciatore dell’invenzione, facendo riferimento alle figure annesse, in cui:In order to better understand the invention and appreciate its advantages, a description of some non-limiting exemplary embodiments of the burner of the invention will be given below, with reference to the attached figures, in which:
- la figura 1 Ã ̈ una vista in sezione longitudinale di una porzione di caldaia comprendente un bruciatore a gas secondo la presente invenzione;Figure 1 is a longitudinal sectional view of a boiler portion comprising a gas burner according to the present invention;
- la figura 2 à ̈ una vista prospettica di un bruciatore a gas per caldaia secondo una prima forma realizzativa dell’invenzione;- figure 2 is a perspective view of a gas burner for a boiler according to a first embodiment of the invention;
- la figura 3 à ̈ una vista prospettica di un bruciatore a gas per caldaia secondo una forma realizzativa dell’invenzione, montato su un telaio;- figure 3 is a perspective view of a gas burner for a boiler according to an embodiment of the invention, mounted on a frame;
- la figura 4 Ã ̈ una vista laterale del bruciatore di figura 3;- figure 4 is a side view of the burner of figure 3;
- la figura 5 Ã ̈ la vista lungo la sezione trasversale B-B del bruciatore di figura 4; e- figure 5 is the view along the cross section B-B of the burner of figure 4; And
- le figure 6a-6c mostrano la scomposizione vettoriale di alcune linee di flusso dei gas di combustione lungo la sezione di figura 5.- figures 6a-6c show the vector decomposition of some flue gas flow lines along the section of figure 5.
Con riferimento alle figure 1-6, un bruciatore a gas per caldaia, Ã ̈ complessivamente indicato con il numero di riferimento 1.With reference to figures 1-6, a gas burner for a boiler is indicated as a whole with the reference number 1.
In particolare, il riferimento 1 indica un bruciatore che produce calore mediante la combustione di un gas combustibile premiscelato, generalmente comprendente gas combustibile ed aria. Preferibilmente, tali gas combustibili sono completamente premiscelati, ovvero alla miscela erogata al bruciatore non viene addizionato alcun componente ulteriore.In particular, reference 1 indicates a burner which produces heat by burning a premixed combustible gas, generally comprising combustible gas and air. Preferably, these combustible gases are completely premixed, ie no further component is added to the mixture delivered to the burner.
Il bruciatore 1 comprende un diffusore 2, il quale à ̈ atto a diffondere gas di combustione in una camera di combustione 3 (indicata con linea tratteggiata nella figura 1).The burner 1 comprises a diffuser 2, which is adapted to diffuse combustion gases in a combustion chamber 3 (indicated by a dashed line in Figure 1).
Il bruciatore 1 à ̈ montato su un telaio 9. Quest’ultimo à ̈ collegabile alla camera di combustione 3 mediante porzioni di collegamento.The burner 1 is mounted on a frame 9. The latter can be connected to the combustion chamber 3 by means of connection portions.
Il telaio 9 delimita inoltre un’apertura per il passaggio della miscela di combustibile ed aria.The frame 9 also defines an opening for the passage of the fuel and air mixture.
Il diffusore 2 include una parete dotata di una pluralità di aperture la cui superficie interna à ̈ in collegamento di flusso con il condotto di alimentazione dei gas. Sulla superficie esterna di tale parete avviene la combustione.The diffuser 2 includes a wall provided with a plurality of openings the internal surface of which is in flow connection with the gas supply conduit. Combustion takes place on the outer surface of this wall.
Il diffusore 2 può comprendere un distributore 4 di tipo noto, atto a distribuire la miscela al diffusore 2 e disposto sul lato del diffusore 2 opposto alla camera di combustione 3.The diffuser 2 can comprise a distributor 4 of a known type, suitable for distributing the mixture to the diffuser 2 and arranged on the side of the diffuser 2 opposite the combustion chamber 3.
Nella figura 1 à ̈ anche mostrata una rappresentazione schematica di uno scambiatore di calore 6 a contatto con la camera di combustione 3, il quale à ̈ atto a ricevere il calore prodotto dalla combustione sul lato esterno della parete del diffusore 2.Figure 1 also shows a schematic representation of a heat exchanger 6 in contact with the combustion chamber 3, which is adapted to receive the heat produced by combustion on the outer side of the diffuser wall 2.
Come mostrato in figura 2, sono state individuate tre direzioni principali: una direzione longitudinale α, una direzione trasversale β ed una direzione radiale γ. La direzione longitudinale α e la direzione trasversale β sono tra loro ortogonali e sono entrambe ortogonali alla direzione di flusso dei gas in ingresso al bruciatore 1, la quale à ̈ indicata nelle figure con le frecce 7.As shown in Figure 2, three main directions have been identified: a longitudinal direction Î ±, a transverse direction β and a radial direction γ. The longitudinal direction Î ± and the transverse direction β are orthogonal to each other and are both orthogonal to the direction of flow of the gases entering burner 1, which is indicated in the figures by the arrows 7.
La direzione radiale γ à ̈ ortogonale alla direzione longitudinale α.The radial direction γ is orthogonal to the longitudinal direction Î ±.
Secondo la presente invenzione, ciascuna sezione trasversale di detto diffusore 2 presenta un raggio di curvatura uniforme. In altre parole, ciascuna sezione ottenuta intersecando il diffusore 2 con un piano parallelo al piano B-B di figura 4 presenta un unico raggio di curvatura, ovvero ciascun punto della sezione appartiene ad una circonferenza ideale avente tale raggio di curvatura.According to the present invention, each cross section of said diffuser 2 has a uniform radius of curvature. In other words, each section obtained by intersecting the diffuser 2 with a plane parallel to the plane B-B of figure 4 has a single radius of curvature, that is, each point of the section belongs to an ideal circumference having this radius of curvature.
Secondo la presente invenzione, il diffusore 2 comprende una porzione centrale di diffusore 10 e due porzioni longitudinalmente periferiche di diffusore 5, in cui dette due porzioni longitudinalmente periferiche di diffusore 5 sono collegate tra loro da detta porzione centrale di diffusore 10. La porzione centrale di diffusore 10 si estende longitudinalmente in una direzione perpendicolare al flusso dei gas di combustione, ovvero nella direzione longitudinale α, per una lunghezza l maggiore di zero. La porzione centrale di diffusore 10, inoltre, presenta una sezione trasversale avente forma di arco di circonferenza di raggio r, come mostrato in figura 5.According to the present invention, the diffuser 2 comprises a central portion of the diffuser 10 and two longitudinally peripheral portions of the diffuser 5, in which said two longitudinally peripheral portions of the diffuser 5 are connected to each other by said central portion of the diffuser 10. The central portion of diffuser 10 extends longitudinally in a direction perpendicular to the flow of combustion gases, or in the longitudinal direction Î ±, for a length l greater than zero. The central portion of the diffuser 10, moreover, has a cross section having the shape of an arc of a circumference of radius r, as shown in Figure 5.
Pertanto, la porzione centrale di diffusore 10, si estende trasversalmente per una lunghezza pari a 2r.Therefore, the central portion of diffuser 10 extends transversely for a length equal to 2r.
Ciascuna di dette porzioni longitudinalmente periferiche di diffusore 5 ha la forma di una porzione di sfera di raggio r, come mostrato in figura 4.Each of said longitudinally peripheral portions of diffuser 5 has the shape of a sphere portion of radius r, as shown in Figure 4.
In altre parole, il raggio della porzione di sfera che forma ciascuna porzione longitudinalmente periferica di diffusore 5 ha una lunghezza pari al raggio della sezione trasversale della porzione centrale di diffusore 10.In other words, the radius of the sphere portion which forms each longitudinally peripheral portion of diffuser 5 has a length equal to the radius of the cross-section of the central portion of diffuser 10.
In accordo con la forma di realizzazione preferita mostrata nelle figure, il bruciatore 1 comprende anche un distributore 4 associato al diffusore 2 e atto a distribuire i gas di combustione sul diffusore 2 stesso, il quale presenta una conformazione sostanzialmente uguale alla conformazione del diffusore 2. Ciò à ̈ particolarmente visibile nella figura 5.In accordance with the preferred embodiment shown in the figures, the burner 1 also comprises a distributor 4 associated with the diffuser 2 and able to distribute the combustion gases on the diffuser 2 itself, which has a conformation substantially equal to the conformation of the diffuser 2. This is particularly visible in Figure 5.
Detto distributore 4 comprende una lamiera provvista di aperture oppure una rete metallica oppure un materiale poroso.Said distributor 4 comprises a sheet metal provided with openings or a metal mesh or a porous material.
Il diffusore 2, invece, comprende una maglia in fibre metalliche o ceramiche o un materiale compatto presentante aperture o un materiale poroso.The diffuser 2, on the other hand, comprises a metal or ceramic fiber mesh or a compact material with openings or a porous material.
In accordo con forme di realizzazione preferite, il diffusore 2 à ̈ collegato ad un telaio 9 il quale à ̈ disposto sostanzialmente perpendicolarmente alla direzione di flusso dei gas di combustione in ingresso al bruciatore 1, indicata dalle frecce 7.In accordance with preferred embodiments, the diffuser 2 is connected to a frame 9 which is arranged substantially perpendicular to the flow direction of the combustion gases entering the burner 1, indicated by the arrows 7.
Nelle figure 6a-6c, la freccia indicata con il numero di riferimento 7’ mostra la direzione di flusso dei gas in uscita dal bruciatore 1.In figures 6a-6c, the arrow indicated with the reference number 7â € ™ shows the flow direction of the gases leaving burner 1.
Come ben visibile da tali figure, tanto più ci si avvicina alle estremità della sezione trasversale, tanto più decresce la componente normale al diffusore 2 della direzione di flusso dei gas in uscita dal bruciatore 1.As can be clearly seen from these figures, the closer you get to the extremities of the cross section, the more the component normal to the diffuser 2 of the flow direction of the gases leaving the burner 1 decreases.
Pertanto, tale componente normale risulterà minima in corrispondenza dei bordi e massima in corrispondenza del vertice dell’arco di circonferenza che costituisce la sezione.Therefore, this normal component will be minimum at the edges and maximum at the vertex of the arc of the circumference that constitutes the section.
Tale fenomeno compensa l’abbassamento di temperatura tipico delle estremità di collegamento al telaio 9, evitando così il distacco di fiamma in tali zone critiche.This phenomenon compensates for the lower temperature typical of the ends connecting to the frame 9, thus avoiding flame detachment in these critical areas.
La situazione à ̈ analoga in corrispondenza della sezione longitudinale del diffusore 2 in quanto ciascuna porzione longitudinalmente periferica di diffusore 5 presenta la forma di una porzione di sfera di raggio r, pertanto i bordi della sezione longitudinale del diffusore 2 presentano le stesse caratteristiche dei bordi della sezione trasversale dello stesso diffusore 2.The situation is similar in correspondence with the longitudinal section of the diffuser 2 since each longitudinally peripheral portion of the diffuser 5 has the shape of a sphere portion of radius r, therefore the edges of the longitudinal section of the diffuser 2 have the same characteristics as the edges of the cross section of the same diffuser 2.
In altre parole, tanto più ci si avvicina alle estremità della sezione longitudinale, più decresce la componente normale al diffusore 2 della direzione di flusso dei gas in uscita dal bruciatore 1. Pertanto, tale componente normale risulterà minima in corrispondenza dei bordi per crescere gradualmente fino ad avere un massimo in corrispondenza di tutta la lunghezza l della porzione centrale di diffusore 10.In other words, the closer you get to the extremities of the longitudinal section, the more the component normal to diffuser 2 of the direction of flow of gases leaving burner 1 decreases. to have a maximum along the entire length l of the central portion of the diffuser 10.
Di conseguenza, la componente normale della direzione di flusso dei gas in uscita risulta minima lungo tutti i bordi perimetrali del diffusore 2 e pertanto il fenomeno del distacco di fiamma, critico in tali zone, risulta arginato.Consequently, the normal component of the flow direction of the outgoing gases is minimal along all the perimeter edges of the diffuser 2 and therefore the phenomenon of flame detachment, critical in these areas, is contained.
Pertanto, una tale conformazione del bruciatore 1, consente di ottenere una stabilità di fiamma anche in caso di aumento della potenza di riscaldamento e al contempo un bruciatore semplice ed economico da produrre.Therefore, such a configuration of the burner 1 allows to obtain a flame stability even in the event of an increase in the heating power and at the same time a simple and economical burner to produce.
Nell’ambito della descrizione che precede e nelle successive rivendicazioni, tutte le grandezze numeriche indicanti quantità , parametri, percentuali, e così via sono da intendersi precedute in ogni circostanza dal termine “circa†se non diversamente indicato. Inoltre, tutti gli intervalli di grandezze numeriche includono tutte le possibili combinazioni dei valori numerici massimi e minimi e tutti i possibili intervalli intermedi, oltre a quelli indicati specificamente nel testo.In the context of the foregoing description and in the subsequent claims, all numerical quantities indicating quantities, parameters, percentages, and so on are to be understood as preceded in all circumstances by the term â € œcircaâ € unless otherwise indicated. In addition, all ranges of numerical quantities include all possible combinations of the maximum and minimum numerical values and all possible intermediate ranges, in addition to those specifically indicated in the text.
Il tecnico del settore, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare ulteriori modifiche e varianti, tutte peraltro contenute nell’ambito di protezione della presente invenzione, al bruciatore a gas per caldaie secondo la presente invenzione.The person skilled in the art, in order to satisfy contingent and specific needs, can make further modifications and variants, all however contained within the scope of protection of the present invention, to the gas burner for boilers according to the present invention.
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