Presentazione di PowerPoint - Università degli Studi di Firenze

Progetto FALCO
Prototipo di forno a legna tradizionale con combustione controllata di biomassa
boschiva generica per la panificazione cottura di prodotti da forno
Progettazione, realizzazione del
prototipo e presentazione dei risultati
Ing. A. Spadi, PhD
Workshop; Vicchio (FI), Lunedì 30 Maggio 2013
Sommario
• Introduzione
• Obiettivi del progetto FALCO
• La progettazione del prototipo
• Sistema di monitoraggio e controllo
• Risultati
• Conclusioni
Workshop – Progetto FALCO
-2-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Introduzione
Il progetto
La realizzazione del prototipo di questa tipologia di forno nasce nell’ambito del progetto
FALCO – GAL START – PSR 2007-2013
(Prototipo di Forno A Legna tradizionale con combustione COntrollata di biomassa
boschiva generica per la panificazione cottura di prodotti da forno )
Leader
Partner scientifico
Cooperativa agricola “Il Forteto”
CREAR – Università di Firenze
Le motivazioni
Realizzare un prototipo di forno fortemente innovativo che migliorasse le “prestazioni” del
forno a legna classico coniugando le esigenze di sfornare prodotti di elevata qualità nel
rispetto della tradizione
L’apporto scientifico
Trasferimento tecnologico delle conoscenze ed esperienze scientifiche maturate nell’ambito
della ricerca sulla conversione energetica delle biomasse
Workshop – Progetto FALCO
-3-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Il CREAR
Conversione energetica da fonti rinnovabili
Ricerca
(analisi, calcoli, dimensionamento, simulazioni CFD)
Risultati
Biomasse
•
Altre rinnovabili
Conclusioni
•
•
•
•
•
•
Combustione
Gassificazione
Pirolisi
Carbonizzazione
Biocombustibili
Analisi
• Solare a concentrazione
• Eolico
Impianti sperimentali
Workshop – Progetto FALCO
-4-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Il CREAR
Workshop – Progetto FALCO
-5-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
Storia del forno a legna
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
Le prime forme antiche di forno risalgono ai tempi degli Egizi.
Infatti si sono osservate alcune strutture a forma conica costruite in mattoni di argilla del Nilo in
cui la parte superiore, dove si poneva il cibo, era separata con una lastra di pietra da quella
inferiore, dove si accendeva il fuoco, per assorbire il calore del fuoco e trasmetterlo alla parte
superiore.
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
I greci ereditarono dalla civiltà egizia l'arte di costruire il forno e la perfezionarono sviluppando
la volta a cupola che, con successive evoluzioni, divenne a camera unica.
•
Risultati
•
Conclusioni
I romani impararono dalla civiltà greca l'arte di costruire i forni, cuocere i cibi e fare il pane.
Fu una vera e propria rivoluzione alimentare e gastronomica.
I romani conoscevano molto bene l’uso dell'arco nelle costruzioni e questa tecnica fu usata
anche nella costruzione dei forni di cottura (a Pompei dove esiste un esemplare di forno a legna
romano costituito da un arco interno circondato da una intercapedine vuota con funzione di
isolante termico).
Dall'epoca dei romani fino ai giorni nostri non ci sono state grosse variazioni nell'arte di
costruire i forni.
Nei primi anni del 1900 vennero introdotti sul mercato forni prefabbricati in laterizio perché
risultava sempre più difficoltoso trovare artigiani in grado di realizzare il forno con le tradizionali
tecniche di muratura.
Workshop – Progetto FALCO
-6-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Obiettivi del progetto FALCO
Workshop – Progetto FALCO

Sfruttamento delle risorse locali (impiego di
legname di basso pregio)

Incremento dell’efficienza energetica del
processo attraverso il controllo della combustione

Miglioramento delle condizioni lavorative ed
igienico sanitarie
-7-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
•
•
Linee guida dello sviluppo
Introduzione
Possibilità di
controllare la
combustione
Obiettivi del
progetto FALCO
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Utilizzare legname di
bassa qualità
Qualità della
combustione
Migliorare mixing
aria combustibile
Efficienza energetica
Forno “caldo” per
tempi lunghi
Realizzare un ottimo
isolamento termico
Elevate inerzie
termiche
Separare caricamento
legna da bocca di
cottura
Workshop – Progetto FALCO
Miglioramento
condizioni lavorative
Miglioramento
condizioni igieniche
-8-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Metodologie di sviluppo
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Separare caricamento
legna da bocca di
cottura
Geometria innovativa
Progettazione ad hoc
Migliorare mixing
aria combustibile
Geometria condotti
alimentazione aria
Analisi CFD
Possibilità di
controllare la
combustione
Valvole regolazione
Progettazione ed
indagini sperimentali
Realizzare un ottimo
isolamento termico
Geometria e
materiali scelti
Progettazione ed
indagini sperimentali
Workshop – Progetto FALCO
-9-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
La progettazione del prototipo
Separare caricamento
legna da bocca di cottura
Geometria condotti
alimentazione aria
Progettazione ad hoc
Alimentazione
combustibile
Bocca forno
Vantaggi igienici  vano interno non contaminato/sporcato dal caricamento legna
Vantaggi pratici  trasporto e caricamento legna semplice ed immediato
 ridotti tempi di pulizia del locale adibito
 facilità di pulizia e manutenzione del piano cottura/camera forno
Workshop – Progetto FALCO
-10-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
La progettazione del prototipo
Separare caricamento
legna da bocca di cottura
Geometria condotti
alimentazione aria
Progettazione ad hoc
Migliorare mixing aria
combustibile
Geometria condotti
alimentazione aria
Analisi CFD
Bocca forno
Volta
Camino
Collettore aria
Bocchette aria
Alimentazione legna
Serranda aria
Workshop – Progetto FALCO
-11-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
La progettazione del prototipo
Migliorare mixing aria
combustibile
Geometria condotti
alimentazione aria
Analisi CFD
• Due collettori d’aspirazione convogliano aria
dall’esterno
Aspirazione aria
• le bocchette affacciate sulla superficie
interna del forno distribuiscono
uniformemente l’aria di combustione su
tutto il piano.
• Bocchette e collettori sono ricavati
all’interno del forno.
• Valvole a serranda con attuatore per
regolazione dell’aria nei collettori
Forno tradizionale
Workshop – Progetto FALCO
Bocchette aria
-12-
Collettore aria
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
La progettazione del prototipo
Migliorare mixing aria
combustibile
Geometria condotti
alimentazione aria
Analisi CFD
• Ripartizione portate
(a)
La portata smaltita dai condotti aumenta procedendo verso valle
(b)
Workshop – Progetto FALCO
-13-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
La progettazione del prototipo
Migliorare mixing aria
combustibile
Geometria condotti
alimentazione aria
Analisi CFD
• Distribuzione aria
5 bocchette
4 bocchette
3 bocchette
L’impatto del numero di bocchette aperte sui campi di moto si può ridurre ad una penetrazione
più accentuata dei flussi nella fornace al diminuire del numero di bocchette aperte
Workshop – Progetto FALCO
-14-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
La progettazione del prototipo
Migliorare mixing aria
combustibile
Geometria condotti
alimentazione aria
Analisi CFD
• Campo di velocità
• 3 bocchette : incremento della portata nella zona
calda (cresce la percentuale di area delle bocchette
rispetto a quella totale in corrispondenza della
regione calda)
• 4 bocchette: migliore distribuzione (zona calda
sottostimata nelle simulazioni)
Workshop – Progetto FALCO
-15-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
La progettazione del prototipo
Realizzare un ottimo
isolamento termico
Geometria e materiali scelti
Progettazione ed indagini
sperimentali
• Analisi 1-D stazionaria
Conduttanza U
Volta = 0,091 W/m2 K
Laterali = 0,314 W/m2 K
Piano = 0,282 W/m2 K
Volta con solo mattoni = 1,500 W/m2 K
Workshop – Progetto FALCO
-16-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
La progettazione del prototipo
Separare caricamento
legna da bocca di cottura
Geometria condotti
alimentazione aria
Progettazione ad hoc
T int-ext = 400 °C
Potenza dissipate Q=U*A*( T)
•
Risultati
•
Conclusioni
Volta = 240 W
Laterali = 125 W
Piano= 620 W
Considerando portelle,
bocchette etc
TOT= 1300-1500 W
Workshop – Progetto FALCO
-17-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Il sistema di monitoraggio e controllo
Possibilità di controllare la
combustione
Valvole regolazione
Progettazione ed indagini
sperimentali
Il modello delle serrande di regolazione scelto
sono installate sui condotti di aerazione e sulle
unità di trattamento dell'aria.
Il movimento contrapposto delle alette è regolato
manualmente o a mezzo servomotore da
ingranaggi e perni che consentono una graduale e
precisa apertura e chiusura della sezione libera di
passaggio.
La valvola di regolazione al
camino è di tipo a farfalla
Workshop – Progetto FALCO
-18-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
Il sistema di monitoraggio e controllo
Possibilità di controllare la
combustione
Valvole regolazione
Progettazione ed indagini
sperimentali
32 Termocoppie di tipo K
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Monitoraggio completo delle temperature di:
• Volta
• Pareti laterali
• Piano cottura
Workshop – Progetto FALCO
-19-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Il sistema di monitoraggio e controllo
Possibilità di controllare la
combustione
Valvole regolazione
Progettazione ed indagini
sperimentali
4 Termocoppie di tipo K
Monitoraggio completo delle temperature di:
• Isolante (Vermiculite)
• Fumi
Workshop – Progetto FALCO
-20-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Il sistema di monitoraggio e controllo
Regolazione manuale
attuatori
Attuatori
Valori TC
PLC
Richiesta dati utente
remoto
Programma
acquisizione Labview
Invio dati utente
remoto
PID di regolazione
Controllo remoto
Workshop – Progetto FALCO
-21-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Risultati dei test
Prove effettuate al variare di :
 Tipologie di essenza (castagno, quercio)
 Pezzature (fascine, “bacchi”, cippato)
 Regolazioni e caricamento combustibile
 Umidità
Workshop – Progetto FALCO
-22-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
Risultati dei test - regolazioni
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
800
La progettazione del
prototipo
700
•
•
Camino_1
•
Laterali
Piano
Volta
600
Sistema di
monitoraggio e
controllo
Isolante int
Isolante ext
STAT_SERR_1
500
STAT_SERR_F
Risultati
°C
•
Regolazioni parziali
400
Conclusioni
300
200
100
0
10.30
10.39
10.48
10.57
11.15
h
11.24
11.33
11.42
11.51
12.00
Una volta esaurito il combustibile occorre
ridurre l’apporto d’aria per non perdere
calore sensibili ai fumi
La regolazione valvole definisce
l’eccesso d’aria e quindi la “velocità” di
combustione
Workshop – Progetto FALCO
11.06
-23-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Risultati dei test – giorno tipo
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Unico caricamento
Unica regolazione
Essenza
Castagno
Pezzatura
Bacchi
Regolazione
Costante
Umidità
23 %
La volta irraggia il piano
Fase
combustione
Chiusura
valvole
Isolante a T
costante
Cottura
Workshop – Progetto FALCO
-24-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Risultati dei test – giorno tipo
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
TC serie
Decadimento
°C/h
Volta
7,4
Piano
5,3
Laterali
9,5
Isolante int
1,8
Workshop – Progetto FALCO
-25-
Essenza
Castagno
Pezzatura
Bacchi
Regolazione
Costante
Umidità
23 %
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Risultati dei test – 2 gg consecutivi
Unico caricamento
Unica regolazione
Forno mantenuto caldo dal
volano
termico
dell’isolamento
Essiccamento
legna
L’isolante dissipa in entrambe le direzioni
La temperatura dell’isolante scende
Workshop – Progetto FALCO
-26-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Risultati dei test - isolamento termico
Temperatura isolante costante
Oscillazione giornaliera 20°C
Workshop – Progetto FALCO
Elevatissima inerzia termica
-27-
Forno mantenuto caldo dal
volano termico
dell’isolamento
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Risultati dei test
Temperatura isolante “costante”
Oscillazione settimanale 80°C
Isolamento termico
800
Volta
Isolante int
700
Isolante ext
Piano
600
°C
500
400
300
200
100
0
0.00 6.00 12.00 18.00 0.00 6.00 12.00 18.00 0.00 6.00 12.00 18.00 0.00 6.00 12.00 18.00 0.00 6.00 12.00 18.00 0.00 6.00 12.00 18.00 0.00 6.00 12.00 18.00 0.00
h
Workshop – Progetto FALCO
-28-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Risultati dei test - cippato
Essenza
Castagno
Pezzatura
Cippato
Unico caricamento
Unica regolazione
Regolazione
Costante
Umidità
19%
Miglior controllo della combustione
Riscaldamento graduale
Workshop – Progetto FALCO
-29-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Risultati dei test - cippato
Workshop – Progetto FALCO
-30-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
•
Risultati dei test – carico ripartito
Introduzione
Obiettivi del
progetto FALCO
Tre caricamenti
Con relative regolazioni
Essenza
Castagno
Pezzatura
Bacchi
Regolazione
Pulsante
Umidità
21 %
Regolazione con carichi progressivi
800
•
La progettazione del
prototipo
Camino_1
Sistema di
monitoraggio e
controllo
600
•
Risultati
500
•
Conclusioni
Piano
Volta
Isolante int
Isolante ext
°C
•
Picco di temperatura
dovuto ad maggiore
apertura valvole
Laterali
700
STAT_SERR_1
STAT_SERR_F
400
300
200
100
0
0.00
1.30
3.00
4.30
6.00
7.30
9.00
10.30
12.00
13.30
15.00
16.30
18.00
19.30
h
Tre caricamenti di combustibile
50%-25%-25%
Riduzione combustibile del 27 %
Workshop – Progetto FALCO
-31-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Risultati dei test
Workshop – Progetto FALCO
-32-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
•
Risultati dei test
Bilancio energetico
15%
Sistema di
monitoraggio e
controllo
Risultati
•
Conclusioni
PCS
17,5 MJ/kg
(test in bomba
calorimetrica)
La progettazione del
prototipo
•
Castagno
8%
Evaporazione - cottura
10%
Umidità
20%
Ceneri
1%
Fumi
Dispersione termica
67%
Incombusti
• 100 kg impasto-pane al 33% d’acqua
• T media dei fumi = 385°C =3,5
• T media interna volta = 300°C
% cenere su
biomassa secca
1-2 %
Workshop – Progetto FALCO
Analisi ceneri
C = 8-9%
H < 1%
N <0,3 %
Il CHN mostra una piccola percentuale di carbonio ma in parte può
anche essere per formazione di carbonati nelle ceneri (CaCO3 o Sali
del genere)
PCI residuo
MJ/kg
Trascurabile
(in bomba
calorimetrica)
L'HHV delle ceneri non fornisce alcun apporto di calore, quindi non
presentano incombusti.
Le ceneri sono venute basse, quindi sembrano buone. Il cippato ne ha
meno ma è vero che ha più umidità quindi dovresti calcolarle in base
secca per paragonarle meglio.
-33-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Obiettivi raggiunti
 Flessibilità del combustibile in ingresso  possibilità di
utilizzare varie tipologie di biomasse legnose
 Elevata efficienza  Riduzione dei “consumi” e dei costi di
gestione
 Possibilità di riscaldare il forno con ampio anticipo rispetto alla
cottura  Miglioramento delle condizioni lavorative e
flessibilità del processo di panificazione
 Mantenimento costante della temperatura durante cotture
prolungate  Più cicli consecutivi
 Miglioramento condizioni igieniche separando la portella
caricamento e la bocca forno
Workshop – Progetto FALCO
-34-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
SOMMARIO
•
Introduzione
•
Obiettivi del
progetto FALCO
•
La progettazione del
prototipo
•
Sistema di
monitoraggio e
controllo
•
Risultati
•
Conclusioni
Conclusioni
 Il progetto ha raggiunto gli obiettivi prefissati
 Nel prototipo del forno si è raggiunta un’elevata efficienza in
termini energetici mantenendo un’elevata qualità del
prodotto finale
 Il forno è controllabile oltre che con i carichi di combustibile
con le valvole di regolazione aria (possibile sviluppo di un
controllo semiautomatico e remoto)
Workshop – Progetto FALCO
-35-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013
Progetto FALCO
Prototipo di forno a legna tradizionale con combustione controllata di biomassa
boschiva generica per la panificazione cottura di prodotti da forno
Progettazione, realizzazione del prototipo e
presentazione dei risultati
Grazie per l’attenzione!
Contact:
Ing. Adriano Spadi, Ph.D.
[email protected]
Tel.+390554796330
CREAR – University of Florence
Workshop – Progetto FALCO
-36-
Vicchio (FI), 30 Maggio 2013