Sviluppo di un approccio numerico per l’analisi dell’efficienza energetica di un forno per ceramica in condizioni reali di funzionamento

L’utilizzo di combustibili fossili è ancora al giorno d’oggi indispensabile per le attività industriali; rispetto a 40 anni fa il consumo mondiale di energia è raddoppiato ed è evidente che assumeranno un rilievo sempre maggiore le problematiche relative alla disponibilità delle risorse energetiche di origine fossile (petrolio e gas) e all'aumento delle emissioni dovuto al loro utilizzo. Un importante contributo che la ricerca può dare è l’implementazione di strumenti e metodologie specifiche per lo sviluppo di nuovi componenti che possano migliorare le prestazioni degli impianti produttivi e la loro richiesta di energia. In questa tesi si analizza come l’utilizzo di strumenti di simulazione numerica possa portare a una ottimizzazione di un impianto di cottura di piastrelle ceramiche. Nell’industria ceramica, il forno è uno dei sistemi con maggior richiesta di energia, pertanto ottimizzare questo impianto significa una riduzione di consumo di combustibile fossile che si traduce in una riduzione di CO2 emessa in atmosfera. La scelta della fonte di energia, della tecnica di cottura e del metodo di recupero di calore è determinante per la progettazione del forno. L’utilizzo di un approccio a parametri concentrati e distribuiti permette di valutare sia la termo-fluidodinamica che le strategie di controllo dell’intero sistema forno, nonché di valutare i contributi dei singoli sottosistemi. Il forno preso in esame è stato analizzato nella condizione di reale funzionamento, l’analisi delle temperature interne del forno e del consumo di combustibile sono parametri chiave dell’analisi, in aggiunta, è possibile studiare la temperatura del materiale lungo l’interno ciclo di cottura grazie al quale è possibile valutare la qualità del prodotto finale. I risultati numerici sono confrontati con rilievi sperimentali ottenuti da un forno reale durante la fase di produzione. In parallelo è stato analizzato l’andamento dei flussi interni dei moduli principali che compongono un forno da ceramica tramite l’utilizzo di un approccio CFD. Questo approccio ha permesso di approfondire la conoscenza dei flussi tridimensionali all’interno della camera del forno. I parametri di velocità e temperatura sono stati usati nel modello a parametri concentrati e distribuiti per determinare in modo accurato i coefficienti di scambio termico delle singole superfici. Un importante elemento di approfondimento dell’analisi ha riguardato l’utilizzo di modelli di combustione grazie ai quali è stato possibile investigare l’andamento della fiamma all’interno della camera del forno e come viene influenzato lo scambio termico. Lo sviluppo di un modello numerico dimostra di essere un efficiente strumento per l’analisi di differenti soluzioni progettuali per i componenti del forno, in più è possibile simulare differenti condizioni di funzionamento e confrontare quale soluzione dia i migliori benefici in termini di riduzione del consumo di combustibile, emissioni inquinanti e qualità del prodotto finito. In particolare viene analizzato il contributo fornito da un nuovo tipo di bruciatore caratterizzato dalla capacità di recuperare energia prelevando i fumi caldi all’interno del forno ed utilizzandoli per preriscaldare l’aria di combustione. Il risultato che porta un approccio numerico di questo tipo è una profonda conoscenza degli scambi termici all’interno di un forno per ceramica, nonché, la valutazione di bruciatori alternativi ha portato una riduzione del consumo di combustibile per il forno analizzato nell’ordine del 10%. Inoltre è stato definito un approccio di analisi flessibile che permette di rendere più efficace e precisa la fase di progettazione di un grande impianto industriale e applicabile a qualsiasi tipologia di forno.