ES2237029T3 - Calentador. - Google Patents

Abstract

SE DESCRIBE UN APARATO DE CALEFACCION PARA UN SISTEMA DE CALEFACCION CENTRAL, QUE INCLUYE UN TERMOINTERCAMBIADOR SECUNDARIO 6, FORMADO POR UNA SERIE DE PLACAS 32 DISPUESTAS EN PILA, TENIENDO LAS PLACAS UNAS CAMARAS 34, QUE SE EXTIENDEN EN EL SENTIDO DE SU LONGITUD DENTRO DE LAS PLACAS EN LAS QUE PUEDE FLUIR EL FLUIDO QUE DEBE CALENTARSE, COMPRENDIENDO ADEMAS EL TERMOINTERCAMBIADOR UNA PLACA DEFLECTORA 54 COLOCADA EN DIRECCION AL CENTRO DE LAS PLACAS Y ORIENTADA PRACTICAMENTE EN ANGULO RECTO A LAS PLACAS, A FIN DE DIVIDIR EL TERMOINTERCAMBIADOR EN DOS PARTES. SE PUEDEN DISPONER SEPARADORES CON LOS QUE SE MANTIENEN SEPARADAS LAS PLACAS ADYACENTES DE LA PILA, A FIN DE DEFINIR UNOS ESPACIOS 33 A LO LARGO DE LAS CUALES PUEDE FLUIR UN FLUIDO DE CALENTAMIENTO, PARA EL INTERCAMBIO TERMICO CON EL FLUIDO QUE DEBE CALENTARSE A TRAVES DE LAS PAREDES DE LAS PLACAS. EL INTERCAMBIADOR TIENE COLECTORES DE ENTRADA 44 Y SALIDA 46 A TRAVES DE LOS CUALES EL FLUIDO QUE ENTRA Y SALE DEL TERMOINTERCAMBIADOR PUEDECOMUNICAR CON LAS CAMARAS 34 DE LAS PLACAS, FLUYENDO AL INTERIOR DE LAS CAMARAS, DESDE EL COLECTOR DE ENTRADA AL COLECTOR DE SALIDA, Y HABRA UNA ENTRADA 50 Y UNA SALIDA 52 PARA CALENTAR EL FLUIDO. EL APARATO DE CALENTAMIENTO COMPRENDE ADEMAS UN TERMOINTERCAMBIADOR PRIMARIO 1 Y UN VENTILADOR 36 PARA CONTROLAR EL FLUJO DEL FLUIDO ALREDEDOR DEL APARATO. LA PRESENCIA DE LA PLACA DEFLECTORA MEJORA EL FLUJO DE GAS EN EL INTERIOR DEL TERMOINTERCAMBIADOR, Y MEJORA DE ESE MODO LA EFICIENCIA DEL APARATO.

Description

Calentador.

Esta invención se refiere a un dispositivo calentador tal como el que se puede encontrar en un sistema de calefacción central.

Los dispositivos calentadores, o calderas, usados en los sistemas de calefacción central incluyen, al menos, un cambiador de calor, en el cual un fluido se va a calentar (tal como agua en la mayoría de los sistemas de calefacción doméstica) se encuentra en relación de cambio de calor con un fluido calentador, tal como gases que se han calentado en un quemador, en especial un quemador de gas.

La invención se refiere, en particular pero no de manera exclusiva, a una caldera para uso en un sistema de calefacción central, y en particular a una caldera de condensación en la que el agua fría de retorno se calienta por medio de la energía que aporta el agua de condensación procedente de gases de la combustión.

La invención también se refiere a una así llamada caldera de condensación combinada la cual combina los principios de una caldera de condensación con la capacidad para calentar agua entrante para suministrar agua caliente directamente a los grifos de un edificio doméstico u otro edificio.

La invención también es aplicable a las calderas en las que el gas y el aire, que tiene que quemar un quemador, se mezclan dentro de un colector de entrada antes de que entren en un colector del quemador. Tales dispositivos se conocen como dispositivos de premezcla. También esta invención se refiere a dispositivos en los que el gas y el aire se mezclan en el colector del quemador.

Es corriente que los cambiadores de calor incluyan elementos para aumentar las superficies de intercambio de calor. Por ejemplo las tuberías por donde fluye el agua que hay que calentar pueden estar equipadas con aletas. En realidad los cambiadores de calor de uso corriente comprenden un conjunto de tubos para el fluido que hay que calentar, y un conjunto de aletas unidas a los tubos.

Se puede preferir incluir más de un cambiador de calor en el dispositivo de la calefacción tal como una caldera de condensación, para aumentar la capacidad. Se puede usar un segundo cambiador de calor para transferir calor procedente del fluido calentador descargado desde una cambiador de calor principal, al agua que se tiene que calentar la cual se surte al cambiador de calor secundario.

Una caldera de condensación conocida comprende un cambiador de calor principal dentro del cual hay un quemador situado. El agua que hay que calentar entra en la caldera a través de un conducto de suministro de agua y se recibe, en primer, lugar en el cambiador de calor secundario. El agua, en el cambiador de calor secundario, recibe calor de los gases de escape que se han usado para calentar agua en el cambiador de calor principal, y entonces este agua pasa desde el cambiador secundario al cambiador de calor principal.

Tal caldera de condensación puede también incluir un ventilador para regular el caudal de los gases a través del dispositivo.

También se sabe que en tales dispositivos hay una cámara estanca, conocida también como cámara de depresión, en la cual hay una presión negativa, comparada con la presión atmosférica creada por un ventilador en el lado caliente del cambiador de calor principal. Al tener una cámara de depresión dentro de tal dispositivo, los gases creados en la cámara de combustión se mantienen a una presión relativamente baja. Esto produce un dispositivo más seguro, ya que es menos probable que los humos escapen a la atmósfera.

En la patente alemana DE-1055021 se da a conocer un cambiador de calor para medios gaseosos formado por placas de paredes macizas que separan los gases y que tienen dos grupos dispuestos lado con lado y conectados entre sí con un acoplamiento.

Según la invención presente se aporta un dispositivo calentador para un sistema de calefacción central según se define en las reivindicaciones anexas.

Se pueden instalar separadores por medio de los cuales las placas adyacentes en el paquete de placas se mantienen separadas, para definir espacios a lo largo de los que puede fluir un fluido calentador, para intercambiar calor con el agua que hay que calentar a través de las paredes de las placas.

El cambiador de calor tiene colectores de entrada y salida por medio de los que el agua que entra en, y sale del, cambiador de calor se puede comunicar con las cámaras en las placas para fluir dentro de las cámaras desde el colector de entrada hasta el colector de salida y también hay una entrada y salida para el fluido calentador.

El dispositivo calentador puede además comprender un cambiador de calor primario.

Es ventajoso que el aparto calentador comprenda un ventilador para regular el caudal del fluido calentador alrededor del dispositivo calentador.

Es preferible que el dispositivo calentador comprenda una cámara de depresión en la que la presión dentro de esta cámara se mantenga a una presión inferior a la ambiental.

Una característica importante del cambiador de calor secundario, según la invención presente, es que el cambiador de calor comprenda una placa deflectora que sirva para dividir los bordes de las placas que forman el paquete de placas y, de este modo, separar los gases entrantes y salientes de la combustión.

El inventor ha hallado, con sorpresa, que la presencia de tal placa deflectora mejora el caudal del gas dentro del cambiador de calor y, de este modo, aumenta la eficacia del dispositivo calentador.

La placa deflectora, al dividir el cambiador de calor secundario, fuerza a los gases en un sentido particular hacia las placas. Las cámaras en las placas llevan agua que se tiene que calentar en el cambiador de calor. Esto crea turbulencia y también un punto crítico en los espacios entre las placas lo cual permite una transferencia alta de calor. Se cree también que el agua dentro del circuito de calefacción al pasar por el cambiador de calor secundario es turbulenta lo que también contribuye a conseguir una transferencia térmica alta.

De forma conveniente, el ventilador está situado encima de la cámara de depresión para que sirva para aspirar gases a través del cambiador de calor principal. Una ventaja de este posicionamiento del ventilador es que se cree que se halla en una posición mejor para hacer frente al funcionamiento cotidiano del dispositivo debido al hecho de que no tiene que aspirar los gases condensados de la combustión y a que trabaja en el lado caliente del cambiador de calor principal.

Preferiblemente, el primero y el segundo cambiadores de calor están ambos situados dentro de una cámara estanca que se mantiene por debajo de la presión atmosférica cuando se usa el dispositivo.

El dispositivo calentador de la invención presente tiene la ventaja de que puede proporcionar un intercambio térmico eficiente, a la vez que aporta una resistencia aceptablemente baja tanto al caudal del fluido calentador como al agua que hay que calentar. Se cree que la resistencia baja al caudal del fluido calentador surge del hecho de que puede fluir con libertad en los espacios entre las placas del cambiador secundario, sin interferencia desde las aletas u otros miembros que se extiendan en sentido lateral entre las placas. Este caudal libre puede ser importante cuando el cambiador de calor se use como cambiador de calor secundario debido a la presión relativamente alta en el fluido calentador en el lado de "salida" de ventilador.

Una ventaja adicional más del cambiador del cambiador de calor secundario en el dispositivo de la presente invención es que se puede fabricar de forma útil. Esto se facilita formando la placa mediante extrusión, por ejemplo, de aluminio. Se ha encontrado que esto es una técnica particularmente conveniente para formar un conducto multicanal, comparada en particular con las técnicas usadas previamente en las cuales las aletas se han formado por separado en los conductos.

Otra ventaja de la invención presente es que tanto el cambiador de calor secundario como el cambiador de calor principal están contenidos dentro de una cámara estanca en la cual la presión de esta cámara estanca se mantiene a una presión significativamente inferior a la ambiental. De este modo, en el caso improbable de escape del cambiador secundario, los gases pasan una segunda vez por el cambiador principal y se ventilan, en lugar de escapar, dentro de la habitación donde la caldera esté localizada.

Ahora se describirá esta invención a modo de ejemplo solo, con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La figura 1 es una representación esquemática de un dispositivo calentador según esta invención;

Las figuras 2 y 3 son representaciones esquemáticas del cambiador de calor secundario que forma parte de la invención presente;

Las figuras 4 y 5 son otras representaciones esquemáticas del cambiador de calor secundario que forma parte de la invención presente;

La figura 6 es una representación en corte de un cambiador de calor secundario que forma parte de la invención presente y muestra la presencia de una placa deflectora;

La figura 7 es una representación esquemática que muestra las cámaras formadas en una placa que forma parte del cambiador de calor secundario que se muestra en la figura 6, y

La figura 8 es una representación esquemática que muestra la forma de un deflector que forma parte del cambiador de calor secundario que se muestra en las figuras 6 y 7.

Con referencia, principalmente, a la figura 1, un dispositivo calentador en forma de una caldera para uso en un sistema de calefacción central doméstica se designa, general con el número 100, comprende un cambiador de calor principal 1 y, al ser una caldera "combinada", comprende un cambiador de calor 2, para agua del grifo, e incluye un quemador 3 con un electrodo de encendido 9 y un dispositivo de encendido 7 y está suministrada por una válvula moduladora del gas 12. Los mandos convencionales de calefacción 15 y 16 se suministran junto con un interruptor de la presión del agua 17 y un termostato de corte por sobrecalentamiento 18.

El agua de la calefacción central, en el lado frío o de "retorno" pasa por la válvula de bola de compresión 21 hasta la bomba de circulación 29 y desde aquí a un cambiador de calor secundario de condensación 6. El agua, desde el cambiador de calor secundario 6 fluye hacia el cambiador de calor principal 1, donde el quemador de gas 3 la calienta y prosigue hasta una válvula de tres vías 24. La válvula 24 regula si el agua se dirige al sistema de calefacción central o al cambiador de calor 2 para calentar el agua fría entrante para los grifos domésticos de "agua caliente". Un sistema de seguridad por desahogo de la presión 23 está conectado a la entrada del agua de retorno justo aguas arriba de la bomba 29. Además se suministra un manómetro 30. Un vaso de expansión 37 está también conectado entre la válvula 21 y la bomba 29.

Hay un ventilador 36 situado encima del cambiador de calor principal 1 que aspira los gases de la combustión por todo el cambiador de calor principal 1, procedentes del quemador 3 y los "empuja" dentro del cambiador de calor secundario 6 y fuera del tubo de humos vía la conexión del tubo de humos 5. Se han instalado una válvula de ventilación 26 y una válvula de la presión del aire 28 para regular cualquier acumulación de presión.

El cambiador secundario 6 condensa el agua 40 procedente de los gases de la combustión que se recoge dentro de un sumidero del condensado 22 el cual está a su vez conectado a un colector de condensación 8 y de aquí al desagüe. El colector de condensación 8 en lugar de permitir un goteo constante, el cual es susceptible de condensación en el invierno, se llena antes de vaciarse en una sola acción sifónica.

La cámara 38 es estanca y, por la acción del ventilador 36, se mantiene a una presión inferior a la ambiental. Esto es ventajoso porque el escape de los gases de la combustión es menos probable cuando la cámara del quemador se mantiene por debajo de la presión ambiental. Además, y según esta invención, el cambiador de calor secundario 6 se encuentra también dentro de la cámara de depresión 38 y así cualquier escape desde el cambiador secundario no va a la atmósfera del edificio sino que se recircula por todo el cambiador de calor principal y fuera del tubo de humos 5.

Aparte del cambiador de calor secundario 6, de su posicionamiento y de la posición del ventilador 36, la caldera que se ha descrito antes es convencional en su funcionamiento.

Volviendo ahora a las figuras 2 a 9 se describirá ahora, con mayor detalle, el cambiador de calor secundario 6. Este cambiador de calor 6 comprende un paquete de placas 32 en ubicación separada con el fin de aportar los espacios 33 entre las mismas. Como se puede ver por las figuras 6 y 7 las placas 32 comprenden una serie de cámaras 34 que se extienden a lo largo de su longitud y a las que se puede hacer referencia como placas de tubos de conducción de agua. Los extremos de las cámaras 34 se abren dentro de un colector de entrada 42 y un colector de salida 44, respectivamente. El colector de entrada 42 tiene una entrada de agua 46 para el agua de retorno y el colector de salida 44 tiene una salida 48 para que el agua de salida calentada vaya al cambiador principal 1. El gas de la combustión entra por una entrada 50 del gas de combustión y se desplaza, según se muestra por medio de las flechas en la figura 2, por los espacios 33 entre las placas 32. Como los gases se tienen que mover a través de 180º para alcanzar la salida de los gases de la combustión 52, se produce cierta cantidad de turbulencia que ayuda al intercambio de calor. De acuerdo con esta invención se ha localizado un deflector 54 en ángulo recto a la dirección de las placas 32 entre la entrada 50 y la salida 52 forzando de este modo a los gases en el sentido general que se muestra por medio de las flechas en la figura
2.

También, de acuerdo con esta invención, se ha descubierto que, asentando los deflectores 56 en los extremos de las placas 32, en áreas inmediatamente opuestas a la entrada 50 y a la salida 52 se produce más turbulencia en los gases y esto realza más el intercambio de calor.

Así, el agua fría de retorno se suministra al colector de entrada 42 de las placas 32 y pasa a través de las placas por todo el cambiador de calor secundario 6 hacia del colector de salida 44. Los gases de la combustión procedentes del cambiador primario 1 están obligados a pasar, por medio del ventilador 36, por los espacios 33 entre las placas 32 pasando calor desde los gases de la combustión al agua dentro del cambiador secundario 6. Las temperaturas de los gases en el ventilador estarán dentro de la región de los 160ºC a los 180ºC. El cambiador secundario 6 de esta invención enfría los gases de escape hasta unas temperaturas mucho más bajas, dentro de la región de los 40ºC a los 50ºC, transfiriendo calor al agua y condensando vapor de agua 40 fuera de los gases de la combustión, la cual recoge el sumidero del condensado 22 y lo conduce al colector de la condensación y luego al drenaje. La temperatura exacta depende de los ajustes y exigencias de los usuarios. Las temperaturas de los gases de la combustión en las calderas tradicionales de gas son mucho más altas y, de este modo, la caldera de esta invención es, de manera considerable, más eficiente.

Como la caldera que se muestra en la figura 1 es una caldera combinada, cuando hay demanda de agua caliente doméstica, por ejemplo, cuando el grifo del "agua caliente" se abre, la válvula de tres vías 24 funciona para desviar el agua caliente desde el cambiador principal 1 al cambiador de calor 2. El agua del grifo pasa por el otro lado del cambiador de calor 2, procedente de la entrada del "suministro" de agua fría y desde aquí al grifo del agua caliente doméstica que se está usando, calentándose el agua hasta una temperatura preseleccionada al pasar por el cambiador 2. Cuando se cierre el grifo la válvula de tres vías 24 funciona para restablecer el caudal de paso al sistema del radiador de calefacción central.

Es preferible que las placas 32 del cambiador de calor secundario 6 estén formadas de extrusiones de aluminio. Entre las placas se han previsto espacios que se sueldan en un conjunto que se muestra en los dibujos por medio de soldadura de aluminio.

Un cambiador típico 6 se forma con diecinueve placas. Cada placa tiene aproximadamente 60 mm de anchura y 6 mm de espesor. Cada separador entre las placas (que no se muestra) tiene aproximadamente 4 mm de espesor. El grosor de las ánimas de aluminio que constituyen las placas es, aproximadamente, 1,2 mm. Se pueden usar ánimas más gruesas en algunas aplicaciones, por ejemplo, con un espesor del orden de 1 mm hasta 3 mm. El aluminio de los separadores y de las placas se puede recubrir con material para inhibir la corrosión, por ejemplo, basado en compuestos de cromato.

El dispositivo de esta invención aporta una caldera muy eficiente dentro de un espacio muy compacto, permitiendo que las familias obtengan un ahorro de hasta el 35% en sus necesidades de energía para caldear su vivienda. Aunque se ha descrito con relación al quemado del gas del Mar del Norte esta invención es aplicable a cualquier dispositivo de calefacción con combustible fósil.

Claims (7)

1. Un dispositivo calentador (100) para un sistema de calefacción central que incluye un cambiador de calor secundario (6) que comprende una pluralidad de placas (32) dispuestas en una pila, teniendo las placas cámaras (34) que se extienden a lo largo de su longitud dentro de las placas en las que el agua que se va a calentar puede fluir, el cambiador de calor secundario (6) caracterizado por una placa deflectora (54) situada sustancialmente en el centro del cambiador de calor y orientada sustancialmente en ángulo recto con las placas (32) entre la entrada (50) y la salida (52), para calentar el fluido, para dividir el cambiador de calor (6) en dos partes.

2. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se han instalado separadores por medio de los cuales las placas adyacentes (32), en la pila, se mantienen separadas, para definir espacios (33) a lo largo de los que un fluido calentador pueda fluir, para intercambiar calor con el agua que se va a calentar a través de las paredes de las placas.

3. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2 en el que el cambiador (6) tiene colectores de entrada (42) y de salida (44) a través de los cuales el agua que entre y salga del cambiador de calor pueda comunicarse con las cámaras (34) en las placas (32) para fluir dentro de las cámaras desde el colector de entrada hasta el colector de salida.

4. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el dispositivo calentador comprende además un cambiador de calor principal (1).

5. Un dispositivo calentador de acuerdo con la reivindicación 4, en el que tanto el primer cambiador de calor (1) como el segundo (6) están situados dentro de una cámara estanca (38), estando la presión dentro de la cámara estanca mantenida por debajo de la presión atmosférica cuando el dispositivo esté en uso.

6. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que las placas (32) están formadas mediante extrusión de aluminio.

7. Un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que deflectores adicionales (56) están asentados en los extremos de las placas (32) en áreas inmediatamente opuestas a la entrada (50) y a la salida (52) para que los gases de la combustión causen más turbulencia.