ITRE20080091A1 - '' impianto di raffreddamento per forno di cottura di prodotti ceramici '' - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del Brevetto Italiano per Brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

“IMPIANTO DI RAFFREDDAMENTO PER FORNO DI COTTURA DI PRODOTTI

CERAMICI ”

La presente invenzione riguarda, in generale, i forni per la cottura di prodotti ceramici, in particolare le piastrelle o le lastre ceramiche in genere.

Il forno cui si riferisce l’invenzione è un tradizionale forno ceramico, in particolare un forno “monostrato”, il quale è del tipo che comprende generalmente una camera di trattamento dei prodotti a forma di lungo tunnel continuo (lungo diverse decine di metri), coibentato, all’interno della quale i prodotti ceramici vengono fatti avanzare in modo continuo su appositi mezzi di movimentazione, comunemente un lungo sistema di rulli motorizzati paralleli ed adiacenti su cui appoggia ed avanza con continuità il prodotto.

Dal punto di vista del trattamento termico cui sottopone i prodotti, il tunnel è longitudinalmente suddiviso in una prima parte, di riscaldamento, ed una seconda parte, di raffreddamento dei prodotti ceramici.

Ogni parte è a sua volta suddivisa in una sequenza di tratti successivi, la cui temperatura varia in base alla posizione relativa lungo la camera.

Nei forni più moderni, la parte del riscaldamento comprende: un primo tratto definito “zona di preriscaldo” per l’essiccazione completa a bassa temperatura (200-400°C) dei prodotti ceramici crudi; un secondo tratto definito “zona di precottura” in cui si raggiungono temperature fino a circa 900°C-1000°C, allo scopo di risolvere alcuni problemi della cottura dei prodotti ceramici, tra cui la combustione delle sostanze organiche, l’eliminazione dell’acqua di costituzione, la trasformazione del quarzo, ecc.; ed un terzo tratto, definito “zona di cottura”, in cui si raggiungono temperature dell’ordine dei 1100-1300°C per effettuare la cottura vera e propria dei prodotti ceramici. La parte del forno ove avviene il raffreddamento inizia con un quarto tratto, denominato “zona di raffreddamento rapido” in cui la temperatura scende rapidamente a circa 600°C; segue un quinto tratto definito “zona di raffreddamento lento ”, in cui la temperatura scende fino a 450-500°C con un gradiente sufficientemente basso da non provocare rotture nel materiale; ed infine segue un sesto tratto definito “zona di raffreddamento finale” in cui la temperatura scende sotto i 500°C, sino a rendere i prodotti ceramici maneggiabili.

Nelle zone di preriscaldo e di cottura sono installati dei mezzi per riscaldare la camera alle temperature previste, i quali comprendono generalmente dei bruciatori a gas con alta velocità di fiamma ed emissione dei fumi della combustione direttamente all’interno della camera.

La zona di raffreddamento rapido è destinata a raffreddare le piastrelle il più rapidamente possibile dalla temperatura di cottura fino a circa 600°C, ossia a temperature sicuramente superiori a quella della trasformazione allotropica del quarzo. Questo stadio del processo di cottura, per la velocità impressionante di abbattimento della temperatura e di riconduzione allo stato solido di impasto e smalto, è sicuramente alquanto critico per le piastrelle. In questo tratto sono previsti tubi soffiatori inseriti in parete sopra e sotto il piano rulli, che immettono aria raffreddante attraverso fori allineati nella camera del forno. La foratura dei soffiatori permette di distribuire con buona omogeneità l’aria nella sezione del carico in forno; i tubi soffiatori sono resistenti all’alta temperatura e sono orientabili secondo necessità.

Per il raffreddamento rapido sono anche previsti scambiatori di calore aria-aria realizzati con tubi resistenti all’alta temperatura inseriti al di sotto della volta del forno, trasversalmente al canale di cottura: al loro interno viene fatta circolare aria raffreddante poi destinata ai bruciatori.

Lo scambiatore ha la duplice funzione di aiutare l’azione di raffreddamento e di fornire aria preriscaldata, quale aria di combustione per i bruciatori.

Nella zona di raffreddamento lento avviene la delicata ritrasformazione allotropica del quarzo. Tale fenomeno richiede uno sviluppo alquanto lento e graduale affinché la trasformazione avvenga con sufficiente contemporaneità in tutta la piastrella: nel corpo ceramico, gia rigido, le tensioni possono facilmente produrre 1a caratteristica rottura "a vetro". Il campo di temperatura interessato e compreso tra 600 e 450 °C.

Anche in questa zona sono preferibilmente previsti scambiatori di calore aria-aria trasversali all’asse longitudinale del forno al di sotto della volta, attraverso i quali un ventilatore fa circolare aria raffreddante aspirata dall’ambiente. Il senso della circolazione dell'aria, in tubi successivi, è alternato da destra a sinistra e da sinistra a destra.

L'isolamento termico delle pareti della camera è ovviamente molto curato, tipicamente, mediante mattoni refrattariisolanti e fibre isolanti, e tuttavia nella parte del raffreddamento rapido ed anche nel raffreddamento lento, nella generica sezione della camera, in corrispondenza del piano di avanzamento a rulli, si riscontrano temperature minori presso le pareti laterali rispetto alla parte centrale.

Un analogo inconveniente si riscontra nei tubi degli scambiatori di calore, i quali sono disposti in modo trasversale e nei quali l’aria raffreddante si riscalda molto rapidamente e si porta alla massima temperatura interna dopo pochi decimetri. Ne deriva che tali scambiatori tendono ad accentuare l’ampiezza del gradiente di temperatura che si stabilisce tra le pareti laterali e la parte centrale della camera in corrispondenza del piano di avanzamento a rulli. Questo fenomeno si accentua tanto più quanto maggiore è la dimensione trasversale orizzontale del forno, cosa che attualmente si richiede per aumentare la produttività del forno: oggidì si costruiscono forni in cui la dimensione trasversale della camera raggiunge il valore di tre metri ed oltre.

Come è ben intuitivo, questo gradiente di temperatura è alquanto negativo per la corretta distribuzione in direzione trasversale delle temperature, che, al contrario, si vorrebbe fosse più uniforme possibile, è può generare indesiderati difetti strutturali (in particolare, la formazione di tensioni residue) e/o difetti estetici nel prodotto finale.

Uno scopo della presente invenzione è quindi la realizzazione di un impianto di raffreddamento perfezionato, preferibilmente per la zona del raffreddamento rapido, eventualmente anche/oppure per la zona del raffreddamento lento nei forni sopra descritti, in grado di correggere l’attuale imperfetta distribuzione delle temperature in direzione trasversale, all’interno della camera. o comunque favorirne una distribuzione più uniforme.

Detto ed altri scopi sono raggiunti dall’invenzione in oggetto, così come si caratterizza nelle rivendicazioni.

L’invenzione viene esposta in dettaglio nel seguito con l'aiuto delle allegate figure che ne illustrano una forma, a titolo di esempio e non esclusiva, di attuazione.

La FIG. 1 è una vista schematica di delle zone di raffreddamento rapido e lento del forno, in cui è applicato l’impianto di raffreddamento secondo l'invenzione, sezionato secondo il piano longitudinale verticale (indicato con I-I in Fig. 2).

La FIG. 1 A è un particolare ingrandito della Fig. 1.

La FIG. 2 è una vista in pianta dall’alto dell’impianto di raffreddamento di Fig. 1.

La FIG. 3A è la sezione secondo il piano IIIA-IIIA di Fig. 2.

La FIG. 3B è la sezione secondo il piano IIIB-IIIB di Fig. 2.

La FIG. 4 è lo schema della valvole e dei condotti che dell’impianto di raffreddamento di Fig. 1.

In Fig. 1 è rappresentata schematicamente la parte del forno in cui si attua il raffreddamento rapido e quello lento.

Con 10 è indicata genericamente la lunga camera a forma di tunnel nella quale avvengono i trattamenti termici sui prodotti. All’interno della camera 10 sono posti i mezzi di movimentazione per fare avanzare i prodotti lungo detto tunnel, ad esempio una lunga e continua rulliera 11.

Per motivi costruttivi, il forno è preferibilmente composto da una pluralità di segmenti (o moduli) 13 uniti in successione tra loro

Nella parte preposta al riscaldamento (non illustrata nelle figure) sono previsti mezzi di riscaldamento (noti e non illustrati) per riscaldare la camera;, nella parte preposta al raffreddamento, tali mezzi non sono normalmente previsti, mentre è previsto un impianto di raffreddamento, soprattutto nella zona di raffreddamento rapido, indicata con 10A ed illustrate in Fig. 1A.

Anche nella successiva zona di raffreddamento lento indicata con 10B in Fig. 1 è previsto uno scambiatore di calore 50, tuttavia di tipo tradizionale con tubi trasversali. A valle di queste zone 10A e 10B, è posta la zona di raffreddamento finale (non illustrata nelle figure) , al temine della quale la temperatura dei prodotti in uscita dal forno è circa 70°C.

Lungo pressoché l’intero tratto della zona di raffreddamento rapido 10A, sono previsti dei mezzi soffiatori 12, di tipo noto ed indicati schematicamente nelle figure, inseriti in parete, sopra e sotto il piano della rulliera 11, che immettono aria fredda attraverso fori allineati nella camera del forno.

Secondo l'invenzione, l’impianto di raffreddamento comprende almeno un dispositivo scambiatore termico aria-aria 20, provvisto di una pluralità di tubi scambiatori 21, paralleli tra loro, alimentati ed attraversati da aria esterna, posti internamente alla camera 10 del forno, i quali tubi 21 sono disposti con l’asse parallelo o quasi all’asse longitudinale della camera.

Preferibilmente, l’invenzione viene applicata nella zona di raffreddamento rapido 10A (come mostrato nell’esempio illustrato nelle figure); tuttavia può venire applicata anche/oppure nella zona di raffreddamento lento 10B.

In dettaglio, secondo la forma di attuazione illustrata nelle figure, ogni dispositivo scambiatore 20 comprende un collettore di ingresso 23 ed un collettore di uscita 24, i quali collettori sono collegati tra loro dalla pluralità di tubi 21, paralleli e distribuiti su un piano orizzontale. Secondo un aspetto preferito dell’invenzione, l’impianto di raffreddamento comprende una pluralità di dispositivi scambiatori 20 distribuiti secondo gruppi uguali 22, ciascuno dei quali gruppi comprende un uguale numero di dispositivi 20 (tre nell’esempio illustrato) posti affiancati e paralleli tra loro e disposti nello stesso segmento 13 di camera.

Inoltre, sono preferibilmente previsti più gruppi 22 di dispositivi scambiatori 20; nelle figure ne sono mostrati quattro, disposti entro altrettanti segmenti 13 della camera 10, allineati longitudinalmente in successione.

I vari dispositivi scambiatori 20 sono collegati tra loro mediante una complessa rete di condotti 30 per l’aria, su cui sono disposte valvole 40 di regolazione della portata del flusso d’aria, illustrati schematicamente in figura 4. L’aria raffreddante che corre all’interno dei dispositivi scambiatori 20 proviene da una unica sorgente costituita da un ventilatore motorizzato 31, che aspira aria ambiente fresca, oppure (in parte o del tutto) aria relativamente calda dal camino di valle, e la invia in pressione ai vari dispositivi scambiatori 20.

Dal ventilatore 31 si diparte un grosso tubo collettore primario di mandata 32, da cui si derivano più (quattro) tubi collettori 33 secondari di mandata, ciascuno dei quali alimenta un gruppo 22 di dispositivi scambiatori 20. Ciascun tubo 33 è formato da un tratto orizzontale trasversale 33b il cui ingresso è collegato al tubo 32 mediante un tratto 33a verticale.

Da ciascuno dei tubi 33 si dipartono più (tre) tubi verticali 34, ciascuno dei quali alimenta il collettore di ingresso 23 di un rispettivo dispositivo scambiatore 20.

Parallelamente al tubo di mandata 32, corre un grosso tubo collettore primario di scarico 37, alimentato da più (quattro) tubi collettori 36 secondari di scarico, ciascuno dei quali tubi 36 riceve lo scarico da un gruppo 22 di dispositivi scambiatori 20. Ciascun tubo 36 è formato da un tratto orizzontale trasversale 36b la cui uscita è collegato al tubo 37 mediante un tratto 36a ,

In uscita dal collettore di uscita 24 di ciascun dispositivo scambiatore 20, si diparte un tubo verticale 35 che scarica in uno dei tubi 36 del rispettivo gruppo 22.

Preferibilmente, il tubo di mandata 32 ed il tubo di scarico 37 sono diretti in senso contrario all’avanzamento dei prodotti nel forno; inoltre, il tubo di scarico 37 convoglia l’aria, che si è riscaldata nel suo percorso all’interno della camera 10, ad un utilizzo, tramite un sistema di condotti 39 diretto verso la parte anteriore del forno; in particolare questa aria calda viene usata come aria di combustione per i bruciatori nella parte del forno ove è attuato il riscaldamento.

Tramite il descritto sistema di condotti, l’aria ambiente aspirata dal ventilatore 31 (che definisce l’ingresso comune dell’aria) viene inviata in parallelo ad ogni dispositivo scambiatore 20. Infatti, l’aria aspirata dal ventilatore 31 viene inviata nel tubo 32, da questo attraverso i tubi 33 ed infine attraverso i tubi 34 entra nei dispositivi scambiatori 20; quindi, dopo aver attraversato i dispositivi scambiatori 20, l’aria esce attraverso i tubi 35 e poi attraverso i tubi 36 raggiunge il tubo di scarico 37. I dispositivi scambiatori 20 di ogni gruppo 22 sono collegati in parallelo tra loro ed i vari gruppi 22 di dispositivi scambiatori 20 sono a loro volta collegati in parallelo tra loro.

Sulla rete 30 di condotti per l’aria sono disposte valvole (indicate genericamente con 40) di regolazione della portata del flusso d’aria.

In particolare a monte ed a valle di ciascun dispositivo scambiatore 20, sui tubi 34, 35, sono previste valvole 40a atte a regolare la portata del flusso proveniente dal tubo collettore 33, che attraversa il dispositivo scambiatore 20 stesso. In particolare, regolando in modo opportuno tali valvole 40a, è possibile variare la portata del flusso in ciascun dispositivo scambiatore 20 rispetto agli altri, nello stesso gruppo 22 di scambiatori.

Inoltre, nella parte di ingresso di ogni tubo collettore secondario 33 è posta una valvola 40b atta a regolare la portata del flusso diretto verso un rispettivo gruppo 22 di scambiatori. In particolare, regolando in modo opportuno tali valvole 40b, è possibile variare la portata generale del flusso in un gruppo 22 di scambiatori 20 (posti in un rispettivo segmento 13) rispetto agli altri gruppi 22 (posti negli altri segmenti 13).

Inoltre, il sistema di condotti comprende condotti intermedi 38 che collegano tra loro, a due a due, i tubi 36 e 33 adiacenti creando un collegamento in serie di tutti i gruppi 22 di dispositivi scambiatori 20. Su detti condotti 38 sono poste valvole 40c di regolazione della portata ed altrettante valvole uguali 40d sono poste sul tratto di uscita dei tubi collettori secondari di scarico 36. Aprendo e chiudendo opportunamente le valvole 40c e 40d è possibile collegare tutti i (quattro) gruppi 22 di dispositivi scambiatori 20 in serie tra loro, anziché in parallelo (o viceversa), nel qual caso la stessa aria attraversa in successione tutti tali gruppi 22; oppure è possibile collegare in serie solo alcuni gruppi 22, o nessun gruppo, lasciando gli altri gruppi 22 collegati in parallelo. Addirittura è possibile lasciare che parte del flusso d’aria scorra in parallelo, ed altra in serie, nei diversi gruppi 22.

Inoltre è previsto che il tubo collettore primario di mandata 32 sia collegato direttamente, nella sua parte finale, al sistema di scarico 39, mediante un condotto 39a; con questo, è possibile inviare direttamente allo scarico 39 (tutto od in parte) il flusso prodotto dal ventilatore 31, in particolare per regolare la portata generale del flusso inviato ai dispositivi scambiatori 20.

Sulla mandata del ventilatore 31 è posta una valvola 40e e sui condotti 39 e 39a sono poste altrettante valvole 40f; tali valvole sono per la regolazione generale del flusso d’aria trattato nella rete 30 di condotti.

In sintesi, mediante la descritta rete 30 di condotti e le relative valvole 40, è possibile variare, con ampia libertà di scelta, il flusso dell’aria introdotto in ogni dispositivo scambiatore 20, rispetto agli altri dispositivi 20 del proprio gruppo 22; così come è possibile disporre in serie e/o in parallelo i vari gruppi 22 e variare il flusso di ciascun gruppo 22 rispetto agli altri; addirittura è possibile escludere completamente il flusso in taluni o tutti i dispositivi scambiatori 20.

Ciò rende possibile, o comunque contribuisce, ottenere la temperatura desiderata all’interno di ogni segmento 13 di forno.

Inoltre, è possibile correggere, almeno in parte, le attuali indesiderate distorsioni nella distribuzione in direzione trasversale delle temperature; ad esempio inviando, all’interno del dispositivo scambiatore 20 centrale, una portata di aria raffreddante maggiore rispetto ai dispositivi scambiatori 20 posti di lato, il gruppo 22 di dispositivi scambiatori 20 realizza in ciascun gruppo 22, e quindi nel rispettivo segmento 13 di forno, un raffreddamento maggiore nella parte centrale, contrastando quindi la detta distorsione termica (causata da un raffreddamento maggiore nelle parti laterali) e possibilmente correggendola al punto da realizzare una desiderata distribuzione termica uniforme (o quasi) in direzione trasversale.

Inoltre è possibile eseguire una regolazione dei passaggi dell’aria all’interno dei dispositivi scambiatori in modo da ottenere il riscaldamento più opportuno dell’aria raffreddante, finalizzato al controllo e alla ottimizzazione della alimentazione di tale aria ai dispositivi bruciatori. Ovviamente all’invenzione in oggetto potranno venire apportate numerose modifiche di natura pratico-applicativa, senza con ciò uscire dall'ambito dell'idea inventiva come sotto rivendicata.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto di raffreddamento per forno di cottura di prodotti ceramici, detto forno comprendendo una camera (10) a forma di tunnel, mezzi di movimentazione (11) per fare avanzare i prodotti lungo detta camera (10), e mezzi di riscaldamento della camera, , il quale impianto di raffreddamento comprende almeno un dispositivo scambiatore termico aria-aria (20), provvisto di tubi scambiatori (21), paralleli tra loro, attraversati da aria raffreddante, posti internamente alla camera (10) del forno, caratterizzato dal fatto che detti tubi scambiatori (21) sono disposti con il proprio asse sostanzialmente parallelo all’asse longitudinale della camera (10).
2. 2. Impianto secondo la rivendicazione 1, ove il forno comprende una pluralità di segmenti (13) successivi, caratterizzato dal fatto che comprende almeno un gruppo (22) di dispositivi scambiatori (20) costituito da una pluralità di dispositivi scambiatori (20) affiancati, posti nello stesso segmento (13) di camera, e collegati ad un ingresso comune di aria.
3. 3. Impianto secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che comprende valvole (40) di regolazione della portata del flusso d’aria applicate al detto gruppo (22) di dispositivi scambiatori (20), atte a variare, in ciascun dispositivo (20) rispetto all’altro, la portata del flusso che attraversa i dispositivi (20) stessi.
4. 4. Impianto secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che comprende più gruppi (22) di dispositivi scambiatori (20), disposti lungo più segmenti (13) della camera (10) allineati longitudinalmente in successione, detti gruppi (22) essendo collegati in serie tra loro e/o in parallelo tra loro.
5. 5. Impianto secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detti gruppi (22) di dispositivi (20) possono venire collegati in parallelo od in serie tra loro e l’impianto comprende valvole di regolazione (40) della portata del flusso d’aria atte a variare, tra un gruppo (22) di dispositivi e l’altro, la portata del flusso che attraversa i dispositivi stessi.
6. 6. Impianto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti dispositivi scambiatori (20) sono alimentati con aria raffreddante fresca, oppure aria relativamente calda proveniente, in parte o del tutto, dal camino di valle del forno.