Riassunto analitico
Questo lavoro di tesi si occupa dello studio e dell'ottimizzazione di bruciatori innovativi per l'industria ceramica. Questo tipo di macchinari è largamente impiegato in una grande varietà di applicazioni come ad esempio essiccatoi, gassificatori, caldaie ed anche forni a rulli in funzionamento continuo. In particolare, nel processo di cottura che avviene in questi ultimi, l'energia è fornita attraverso i bruciatori per mezzo della combustione. Una grossa porzione dell'energia fornita al sistema non viene debitamente impiegata a causa della presenza di numerosi effetti dissipativi, ma soprattutto presenta un limite di impiego a causa del secondo principio della termodinamica: quando la temperatura dei gas in camera raggiunge la condizione di equilibrio termico coi prodotti della cottura, lo scambio di calore cessa di sussistere ed il gas deve essere espulso, spesso ancora ad elevate temperature. Nel corso degli anni sono state proposte varie strategie per recuperare parte dell'energia residua, come ad esempio ricircoli di gas dalle zone più calde a quelle più fredde del forno stesso, oppure impiego di gas di scarico in altri macchinari dello stesso impianto di produzione. In questa tesi ci si occupa in particolare dei bruciatori recuperativi. Questi particolari bruciatori sono caratterizzati dalla presenza di uno scambiatore di calore integrato che recupera energia dai fumi, i quali vengono estratti localmente attraverso il bruciatore stesso. Il calore recuperato è utilizzato per pre-riscaldare l'aria di combustione, processo che porta ad un innalzamento della temperatura di fiamma. Al fine di mantenere la temperatura di camera ad un valore prestabilito è quindi possibile ridurre la portata di combustibile, risparmiando energia e abbassando i costi. L'analisi di questi dispositivi è stata condotta per mezzo di strumenti di simulazione CFD (Computational Fluid Dymaincs) controllati e governati da algoritmi di ottimizzazione. Tali strumenti hanno suscitato un crescente interesse negli ultimi anni per la loro affidabilità e la capacità di riduzione di tempi e costi di sviluppo del prodotto. Il modello numerico è stato quindi validato con analisi sperimentale ed utilizzato in una serie di simulazioni parametriche con lo scopo di ottimizzare la geometria dello scambiatore massimizzando il calore recuperato. Tuttavia, uno dei problemi principali dei bruciatori recuperativi è l'elevata formazione di gas di NOx a causa dell'innalzamento della temperatura di fiamma. Questo effetto indesiderato può essere mitigato attraverso una combustione a stadi od un generale incremento della turbolenza di fiamma; anche se la soluzione più efficace rimane un sistema di ricircolo dei gas di scarico. Grazie a questo tipo di applicazione è possibile ridurre la temperatura di fiamma e di conseguenza abbattere drasticamente la produzione di NOx. Purtroppo tali sistemi non sono ancora diffusi nell'industria a causa dell'elevata complessità costruttiva e tecnologica che essi comportano. Nella parte finale della tesi viene presentato e studiato attraverso tecniche di "design of experiment" un prototipo di bruciatore a ricircolo. Nonostante si tratti di una analisi preliminare, mostra risultati interessanti che possono essere sviluppati ulteriormente e portare a notevoli benefici.
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Abstract
The study and optimization of innovative burners for ceramic industries is presented in this thesis. These machines are widely employed in many applications such as dryers, gasification plants, boilers and continuous roller kilns for ceramic tiles. In all these systems the energy is provided through the burners by means of fuel combustion. Unfortunately a large amount of this energy is usually wasted. In industrial kilns this is due both to thermal dissipation and the second principle of thermodynamics: when the exhaust gas into the chamber and the products of the firing process reach a thermal equilibrium, they cannot exchange more energy and the flue gas has to be expelled often at high temperature. During the years many strategies have been developed in order to recover part of the wasted heat such as air recirculation inside the kiln form the hottest zone to the coolest one, or flue gas recycling in other systems of the factory. In particular this thesis focuses on recuperative burners. These burners are equipped with a built-in heat exchanger that recovers thermal power from hot gases, which are extracted from the kiln locally, through the burners themselves. The recovered heat is used for pre-heating combustion air. This process causes an increase in the flame temperature, so that in order to maintain the temperature of the mixture at a given value it is possible to decrease the amount of fuel provided to the system, thus saving energy and money. The analysis of these systems is carried out by means of CFD (Computational Fluid Dynamics) instruments governed by optimization techniques, which in the recent years have demonstrated to be valuable tools for the investigation of complex problems in a very efficient and economic way. Therefore the numerical model has been validated with experimental measurements and it has been exploited in a series of parametric simulation in order to optimize the burner's geometry and maximize the heat recovered from the flue gas. However, one of the problem of recuperative burners is given by the formation of NOx gases due to the higher flame temperature. Such a drawback can be mitigated by performing a staged combustion or by enhancing the turbulence in the domain, yet the most effective solution is represented by an exhaust recirculation system. With this application the flame's temperature is decreased and the NOx drastically reduced. Unfortunately such systems are not yet spread in industrial application due to the high complexity they introduce. In the final part of this thesis a prototype for a recirculation burner is also presented and investigated exploiting design of experiments techniques. This study represents a preliminary analysis of a technology that could be further developed and lead to interesting benefits.
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