Analisi di bruciatori innovativi per forni industriali

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.