ES2322702T3 - Disposicion de intercambiador de calor y metodo utilizado en un intercambiador de calor. - Google Patents
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Abstract
Disposición de intercambiador de calor (1.1) que comprende una disposición (2) de flujo de envuelta para el primer medio de transmisión de calor, una disposición (5) de flujo en canal para un segundo medio de transmisión del calor, dispuesta para ser envuelta, al menos parcialmente, por la disposición de flujo de envuelta, en la que la disposición (5) de flujo en canal comprende una primera parte (8) y una segunda parte (9), en la que las direcciones de flujo del medio de transmisión de calor son aproximadamente contrarias, comprendiendo la primera parte (8) de la disposición (5) de flujo en canal una envuelta exterior (8.1) rodeada, al menos parcialmente, por la disposición de flujo de envuelta y comprendiendo la segunda parte (9) una envuelta interior (9.1) dispuesta al menos parcialmente dentro de la primera parte, estando prevista en la disposición una primera cámara colectora (5.1) del segundo medio de transmisión de calor dispuesta en el primer lado (
Description
Disposición de intercambiador de calor y método
utilizado en un intercambiador de calor.
El presente invento se refiere a una disposición
de intercambiador de calor como se establece en el preámbulo de la
reivindicación 1, conocida a partir del documento
US-A-2937855, cuyo aparato comprende
una disposición de flujo de envuelta para un primer medio de
transmisión de calor, una disposición de flujo en canal para un
segundo medio de transmisión de calor, dispuesta para ser envuelta,
al menos parcialmente, por la disposición de flujo de envuelta, en
la que la disposición de flujo en canal comprende una primera parte
y una segunda parte, en la que las direcciones de flujo de los
medios de transmisión del calor son aproximadamente contrarias. El
presente invento se refiere, también, a un método de condensar
componentes condensables a partir de gases calientes, que incluye
una disposición de intercambiador de calor de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 8, según el preámbulo de la
reivindicación 11.
Es de por sí conocido que tanto las emisiones de
partículas como, por ejemplo, las emisiones de óxidos de azufre a
la atmósfera, pueden reducirse condensando los gases de combustión.
Los componentes condensables pueden condensarse enfriando lo
suficiente los gases de escape. Con este propósito se han sugerido,
previamente, varias soluciones. La publicación DE 3440266 describe
una solución en la que se ha dispuesto un intercambiador de calor
dentro del conducto de los gases de escape para enfriar los gases.
Sin embargo, esta solución es problemática ya que el intercambiador
de calor situado en la corriente de gases puede ser propenso a la
corrosión y al atascamiento.
Un objeto del presente invento es producir una
disposición de intercambiador de calor que reduzca al mínimo los
problemas asociados con la técnica anterior. También es un objeto
del presente invento proporcionar un método para condensar, de
forma eficaz y fiable, los componentes condensables. Un objeto
especial del invento es proporcionar una disposición de
intercambiador de calor para gases de escape de un motor de
combustión interna, en la que se reduzca al mínimo el riesgo de
corrosión y de atascamiento y se mejore la eficacia de la limpieza
de los gases de escape de un motor de combustión interna.
Los objetos del invento se consiguen,
fundamentalmente, como se describe en las adjuntas reivindicaciones
1 y 11 y como se explica con mayor detalle en otras
reivindicaciones.
Una disposición de intercambiador de calor de
acuerdo con el invento comprende una disposición de flujo de
envuelta para un primer medio de intercambio de calor, una
disposición de flujo en canal para un segundo medio de intercambio
de calor dispuesto para ser envuelto, al menos parcialmente, por la
disposición de flujo de envuelta. La disposición de flujo en canal
comprende una primea parte y una segunda parte, en cuyas partes las
direcciones de flujo de los medios de transmisión de calor son,
aproximadamente, opuestas. La primera parte de la disposición de
flujo en canal comprende una envuelta exterior rodeada, al menos
parcialmente, por la disposición de flujo de envuelta y la segunda
parte comprende una envuelta interior dispuesta, al menos
parcialmente, dentro de la primera parte.
La primera parte y la segunda parte están
mutuamente en conexión de flujo de forma que el segundo medio de
transmisión de calor pueda circular primero a través de la primera
parte y, después, a través de la segunda parte. Esto permitirá
conseguir tanto un diseño compacto como la función deseada, según la
cual el segundo medio de transmisión de calor es calentado a medida
que circula por la segunda parte. De preferencia, la primera parte
y la segunda parte están formadas por tubos dispuestos
concéntricamente.
De esta forma, la disposición de intercambiador
de calor puede construirse de tal modo que la disposición de flujo
en canal esté esencialmente libre de elementos intercambiadores de
calor internos. En la práctica, el enfriamiento y el nuevo
calentamiento del segundo medio de transmisión de calor se efectúa,
solamente, a través de las paredes de la primera y de la segunda
partes de la disposición de flujo en canal.
La disposición de flujo en canal se extiende,
preferiblemente, a través de la disposición de flujo de envuelta y
consiste en varias unidades que comprenden una primera y una segunda
partes conectadas en paralelo.
Una primera cámara colectora del segundo medio
de transmisión de calor está dispuesta en el primer lado de la
disposición de flujo de envuelta, comprendiendo el colector un
conducto de entrada de medio, y la primera parte de cada
disposición de flujo en canal está en conexión de flujo con la
primera cámara colectora por su primer extremo. Además de esto, una
segunda cámara colectora del segundo medio de transmisión de calor
está dispuesta en el primer lado de la disposición de flujo de
envuelta, comprendiendo el colector un conducto de salida de medio,
y la segunda parte de cada disposición de flujo en canal está en
conexión de flujo con la segunda cámara colectora por su otro
extremo.
En el segundo lado de la disposición de flujo de
envuelta hay un espacio al que están conectadas la primera parte
por su segundo extremo y la segunda parte por su primer extremo,
comprendiendo dicho espacio al menos un conducto de salida para
retirar el líquido condensado del medio de transmisión de calor. De
acuerdo con el invento, la primera y la segunda cámaras colectoras
están dispuestas una junto a otra y la segunda parte de cada
disposición de flujo en canal está dispuesta para extenderse a
través de la primera cámara. De esta forma, las conexiones para el
segundo medio de transmisión de calor pueden estar dispuestas del
mismo lado del intercambiador de calor.
Hay guías de flujo dispuestas en el espacio
comprendido entre la envuelta exterior y la envuelta interior de la
disposición de flujo en canal, para hacer que el flujo de medio de
transmisión de calor gire en torno al eje longitudinal de la
envuelta interior. La antes descrita disposición de transmisión de
calor es muy adecuada para limpiar los gases de escape de un motor
de pistones que esté produciendo potencia.
En un método de condensar los componentes
condensables de gases calientes en un intercambiador de calor de
acuerdo con el invento, el método que comprende una disposición de
flujo de envuelta y una disposición de flujo en canal envuelta por
la disposición de flujo de envuelta, se hace que el gas caliente
circule esencialmente hacia abajo en la disposición de flujo en
canal, en el espacio comprendido entre la envuelta exterior y la
envuelta interior de la misma, transmitiendo calor simultáneamente a
través de las envueltas de forma que se consiga la condensación, a
continuación de lo cual se cambia en 180º la dirección de
circulación del gas, ahora parcialmente enfriado, por lo que los
componentes condensados son separados del flujo de gas. Además, se
hace que los gases fluyan esencialmente hacia arriba por el espacio
de dentro de la envuelta interior, por lo que son calentados
simultáneamente por el calor que reciben de los gases calientes.
De preferencia, se hace que los gases calientes
circulen esencialmente hacia abajo en la disposición de flujo en
canal, por el espacio comprendido entre la envuelta exterior y la
envuelta interior al tiempo que, simultáneamente, transmiten calor
al flujo de envuelta y al flujo de gases, ya parcialmente enfriados,
en el espacio de dentro de la envuelta interior. Subsiguientemente
al cambio de dirección de flujo de los gases, y una vez que se ha
separado el líquido de ellos, se hace que los gases circulen
esencialmente hacia arriba por el espacio de dentro de la envuelta
interior al tiempo que, simultáneamente, reciben calor de los gases
calientes que circulan esencialmente hacia abajo en la disposición
de flujo en canal, en el espacio formado por la envuelta exterior y
la envuelta interior de la misma. Merced a esta disposición, primero
se hace que los gases se enfríen, de modo que se consigue una
cantidad de condensación deseada y, además, se calienten hasta el
punto de que no se produzca más condensación, hasta un grado no
deseado. Además, gracias a esta disposición, es posible garantizar
que la temperatura de los gases se eleva hasta un valor suficiente
para hacer que los gases asciendan, en lugar de extenderse hasta
las cercanías de la instalación. Esto puede conseguirse sin fuente
de calor separada.
De acuerdo con un aspecto específico del
invento, pueden conseguirse resultados beneficiosos particularmente
en relación con grandes motores de pistones. De acuerdo con este
aspecto, se añade agua a la carga del motor mientras éste está
funcionando, produciéndose así gases de escape que contienen vapor
de agua. En el método, los gases de escape que contienen vapor de
agua se enfrían de manera que el vapor de agua contenido en ellos
se condense y se hace que las partículas sólidas contenidas en los
gases de escape se adhieran al agua condensada, de acuerdo con el
invento. De preferencia, se inyecta agua en el aire para la
combustión o directamente en los cilindros del motor. De esta
manera, los gases de escape contienen vapor de agua en mayor
cantidad que la generada en el proceso de combustión y,
respectivamente, la cantidad de vapor de agua condensada desde los
gases de escape del motor es mayor que la cantidad de vapor de agua
generada en el proceso de combustión del combustible.
Preferiblemente, los gases de escape húmedos,
que contienen vapor de agua, son enfriados en esencia transmitiendo
simultáneamente calor a un medio de refrigeración y a los gases de
escape ya enfriados. Esto hace que la temperatura de los gases de
escape suba, garantizando que los gases de escape ascienden cuando
son liberados a la atmósfera desde, por ejemplo, una chimenea.
Además, de acuerdo con el invento, esto se consigue esencialmente
sin energía externa adicional.
Gracias a este invento se consiguen varios
beneficios. La solución es muy compacta y puede reducir
significativamente las emisiones de los gases de escape. Además, la
separación del líquido condensado es eficaz, sin pérdidas de
presión excesivas. Una solución de acuerdo con el invento tampoco se
ensucia fácilmente y resulta fácil mantenerla limpia.
En lo que sigue, se describe el invento, a modo
de ejemplo, con referencia al dibujo adjunto, en el que la figura 1
es una ilustración esquemática de una realización de una disposición
de intercambiador de calor en conexión con una instalación de motor
de pistones de acuerdo con el invento.
La instalación 1 de motor de pistones comprende,
esquemáticamente, un motor de pistones 6 y una disposición 1.1 de
intercambiador de calor en conexión con el canal de gases de escape
de la instalación del motor de pistones. El motor de pistones puede
ser un motor conocido como tal. La disposición 1.1 de intercambiador
de calor comprende una disposición 2 de flujo de envuelta, en la
que está destinado a circular el primer medio de transmisión de
calor. El primer medio de transmisión de calor actúa, en este caso,
como medio receptor de calor y puede ser, por ejemplo, agua o aire.
La disposición de flujo de envuelta comprende un conducto de
entrada 3 y un conducto de salida 4 a través de los cuales puede ser
dirigido el primer medio de transmisión de calor por medio de la
disposición de flujo de envuelta.
La disposición 1.1 de intercambio de calor
comprende, también, la disposición 5 de flujo en canal para el
segundo medio de transmisión de calor, que está envuelta por la
disposición de flujo de envuelta. En la realización ilustrada, el
segundo medio de transmisión de calor son los gases de escape del
motor de pistones 6. Debe comprenderse que la instalación puede
incluir, también, otros equipos en el flujo de los gases entre el
motor 6 y la disposición 1.1 de intercambiador de calor. En el
proceso de combustión del motor de pistones 6 se generan diversos
componentes no deseados, cuya reducción al mínimo resulta ventajosa.
Estos incluyen, por ejemplo, emisiones de partículas, tales como
hollín, y emisiones gaseosas, tales como compuestos de azufre. De
acuerdo con el invento, el motor de pistones 6 está provisto de
medios 6.2 adecuados de inyección de agua para introducir agua o
vapor de agua en el motor 6. El agua puede introducirse en el motor
en distintas fases, tales como en el aire de admisión al motor o
directamente en el cilindro 6.2 del motor. Sin embargo, el agua se
introduce desde una fuente de agua 6.1 de tal manera que,
finalmente, se inyecte agua en cada cilindro del motor. El agua
puede inyectarse en forma líquida, como vapor de agua o como una
emulsión de combustible-agua o como una combinación
de éstas, según se desee. Así, el método permite incrementar la
humedad de los gases de escape del motor 6 por encima del nivel
conseguido por el proceso de combustión solamente. De este modo, la
cantidad de agua condensable en los gases de escape es superior a la
normal. La cantidad de agua inyectada puede controlarse, por
ejemplo sobre la base de la temperatura de los gases de escape,
manteniéndose la cantidad de agua inyectada de tal modo que la
temperatura de los gases de escape tenga un valor inferior deseado
en comparación con una situación en la que no se inyecte agua.
Cuando el agua se condensa en forma líquida, las partículas sólidas
se adhieren sobre la superficie del líquido y sobre las superficies
del aparato se condensan gotas del líquido. Cuando se inyecta agua
en el motor, además del agua generada en la combustión, las
partículas sólidas también se separan de manera más eficaz.
Los gases de escape calientes y que contienen
vapor de agua son dirigidos desde el motor de pistones 6 al
conducto de entrada 7 y, luego, a través de la disposición 1.1 de
intercambiador de calor. El conducto de entrada 7 está dispuesto en
la primera cámara colectora 5.1 de la disposición 5 de flujo en
canal. La primera cámara colectora 5.1 dirige los gases de escape
calientes procedent0es del motor de pistones 6 a cada uno de los
conjuntos formados por las disposiciones 5 de flujo en canal,
conectados en paralelo. Esta clase de conjunto comprende una
primera parte 8 y una segunda parte 9. La primera parte comprende la
envuelta exterior 8.1 rodeada por la disposición de flujo de
envuelta, preferiblemente un tubo de sección transversal circular,
denominándose el tubo en lo que sigue el tubo exterior. El tubo
exterior 9,1 se extiende a través de la disposición 2 de flujo de
envuelta desde su primer lado 2.1 hasta el segundo lado 2.2. Otro
tubo, que actúa como envuelta interna 9.1 está dispuesto dentro del
tubo 8.1, denominándose este tubo en lo que sigue el tubo interior.
El tubo exterior se encuentra en conexión de flujo con la cámara
colectora 5.1, por lo que los gases pueden circular desde la cámara
colectora 5.1 al espacio formado entre el tubo exterior y el tubo
interior. El tubo exterior y el tubo interior están dispuestos, de
preferencia concéntricamente uno con relación al otro.
Se hace que los gases circulen esencialmente
hacia abajo en la disposición 5 de flujo en canal en el espacio
formado por el tubo exterior 8.1 y su tubo interior 9.1 mientras se
transmite calor hasta el punto de que tenga lugar condensación de
en los gases. El calor es transmitido, básicamente, a través de las
paredes lisas de los tubos. Hay un espacio 5.3 dispuesto en
conexión con el segundo extremo del tubo exterior y en el segundo
lado 2.2 de la disposición 2 de flujo de envuelta. El primer extremo
del tubo interior 9.1 está, también, conectado con este
espacio.
Con esta construcción, se cambia en unos 180º la
dirección de circulación de los gases ahora parcialmente enfriados
en el espacio 5.3, por lo que los componentes condensados y el
material separado de los gases de escape se separan del flujo de
gases en el espacio 5.3. Así, puede separarse de los gases de escape
una gran cantidad de agua condensada y, con ella, también
componentes perjudiciales. El espacio comprende al menos un
conducto de salida 11 para retirar el líquido condensado a partir de
los gases. Preferiblemente, también está dispuesto un cierre 13 de
gases en conexión con el conducto de salida 11.
Dado que los gases contienen una elevada
cantidad de vapor de agua condensable, se han dispuesto guías de
flujo 12 en el espacio para mejorar la separación del líquido
haciendo que el flujo del segundo medio de transmisión de calor
gire alrededor del eje longitudinal de la envuelta interior 9.1 y,
así, se separará de la superficie interior del tubo exterior
8.1.
Desde el espacio 5.3 se dispone que los gases
circulen esencialmente hacia arriba por el espacio de dentro del
tubo interior 9.1. En esta fase, el gas parcialmente enfriado es
calentado por el gas que circula en contracorriente con él por el
espacio comprendido entre el tubo exterior 8.1 y el tubo interior
9.1, Cada tubo exterior 8.1 se extiende tanto hacia el primer lado
2.1 de la disposición 2 de flujo de envuelta como, también, a través
de la primera cámara colectora 5.1 y está conectado a la segunda
cámara colectora 5.2. La segunda cámara colectora 5.2 conecta el
flujo de cada tubo exterior 8.1 y dirige el flujo combinado hacia
fuera para tratamiento ulterior a través del conducto 10. Las
cámaras colectoras 5.1 y 5.2 están yuxtapuestas en el primer lado
2.1 de la disposición de flujo de envuelta, por lo que la entrada y
la salida de los gases calientes tienen lugar del mismo lado del
intercambiador de calor.
El conducto de salida 11 para el agua condensada
está, de preferencia, en conexión de flujo con la fuente de agua
6.1 a través del canal 11.1, por lo que se consigue un proceso al
menos parcialmente cerrado en lo que al agua se refiere. En ese
caso, la fuente de agua 6.1 comprende, de preferencia, aparatos
adecuados para la limpieza del agua.
El invento no se limita a las realizaciones
descritas en esta memoria, sino que dentro del alcance de las
reivindicaciones adjuntas pueden concebirse diversas modificaciones
del mismo.
Claims (13)
1. Disposición de intercambiador de calor (1.1)
que comprende una disposición (2) de flujo de envuelta para el
primer medio de transmisión de calor, una disposición (5) de flujo
en canal para un segundo medio de transmisión del calor, dispuesta
para ser envuelta, al menos parcialmente, por la disposición de
flujo de envuelta, en la que la disposición (5) de flujo en canal
comprende una primera parte (8) y una segunda parte (9), en la que
las direcciones de flujo del medio de transmisión de calor son
aproximadamente contrarias, comprendiendo la primera parte (8) de
la disposición (5) de flujo en canal una envuelta exterior (8.1)
rodeada, al menos parcialmente, por la disposición de flujo de
envuelta y comprendiendo la segunda parte (9) una envuelta interior
(9.1) dispuesta al menos parcialmente dentro de la primera parte,
estando prevista en la disposición una primera cámara colectora
(5.1) del segundo medio de transmisión de calor dispuesta en el
primer lado (2.1) de la disposición (2) de flujo de envuelta,
comprendiendo la cámara colectora un conducto (7) de entrada de
medio y la primera parte (8) de cada disposición de flujo en canal
está en conexión de flujo con la primera cámara colectora (5.1) por
su primer extremo, y una segunda cámara colectora (5.2) está
dispuesta además en el primer lado (2.1) de la disposición (2) de
flujo de envuelta, comprendiendo la cámara colectora un conducto de
salida (10) para el medio y en la que la segunda parte (9) de cada
disposición de flujo en canal está en conexión de flujo con la
segunda cámara colectora (5.2) por su segundo extremo,
caracterizada porque está previsto un espacio (5.3) en el
segundo lado (2.2) de la disposición (2) de flujo de envuelta, al
que la primera parte (8) está conectada por su segundo extremo y la
segunda parte (9) por su primer extremo y porque el espacio
comprende, al menos, un conducto de salida (11) para retirar el
líquido condensado del medio de transmisión
de calor.
de calor.
2. Una disposición (1.1) de intercambiador de
calor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada
porque la primera parte (8) y la segunda parte (9) están en
conexión de flujo una con respecto a otra, de forma que el segundo
medio de transmisión de calor puede circular primero por la primera
parte y, después, por la segunda parte.
3. Una disposición (1.1) de intercambiador de
calor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada
porque la primera parte (8) y la segunda parte (9) consisten en
tubos (8.1, 9.1) dispuestos concéntricamente, y porque la
disposición (5) de flujo en canal se extiende a través de la
disposición (2) de flujo de envuelta.
4. Una disposición (1.1) de intercambiador de
calor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada
porque la disposición (2) de flujo de envuelta rodea
sustancialmente a la disposición (5) de flujo en canal.
5. Una disposición (1.1) de intercambiador de
calor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizada porque la disposición (5) de flujo en canal
comprende varios conjuntos que consisten en la primera parte (8) y
la segunda parte (9), conectados en paralelo.
6. Una disposición (1.1) de intercambiador de
calor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada
porque la primera (5.1) y la segunda (5.2) cámaras colectoras están
yuxtapuestas una con relación a otra y porque la segunda parte (9)
de cada disposición de flujo en canal está dispuesta para extenderse
a través de la primera cámara (5.1).
7. Una disposición (1.1) de intercambiador de
calor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 4,
caracterizada porque se han dispuesto guías de flujo (12) en
el espacio comprendido entre la envuelta exterior (8.1) y la
envuelta interior (9.1), para hacer que el flujo de medio de
transmisión de calor gire en torno al eje longitudinal de la
envuelta interior (9.1).
8. Una disposición (1.1) de intercambiador de
calor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
caracterizada porque el intercambiador de calor está
conectado a un motor de pistones (6).
9. Un método de condensar componentes
condensables a partir de gases calientes en una disposición (1.1) de
intercambiador de calor de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se hacen
circular gases calientes esencialmente hacia abajo en la disposición
(5 de flujo en canal, por el espacio formado por la envuelta
exterior (8.1) y la envuelta interior (9.1) de la misma mientras se
intercambia calor a través de las envueltas hasta el punto de que
tiene lugar condensación de los gases; y porque se cambia en unos
180º la dirección de flujo de los gases ya parcialmente enfriados,
por lo que los componentes condensados se separan del flujo de
gases; porque se obliga a los gases a circular esencialmente hacia
arriba en el espacio de dentro de la envuelta interior (9.1), por
lo que, simultáneamente, se calientan al recibir calor procedente
de los gases calientes.
10. Un método de acuerdo con la reivindicación
9, caracterizado porque los gases calientes son hechos
circular esencialmente hacia abajo en la disposición (5) de flujo
en canal, por el espacio formado por la envuelta exterior y la
envuelta interior de la misma, transmitiéndose calor simultáneamente
con el flujo de envuelta y con el flujo de gases ya parcialmente
enfriados en el espacio de dentro de la envuelta interior.
11. Un método de acuerdo con la reivindicación 9
o la reivindicación 10, caracterizado porque los gases
calientes son gases de escape de un motor de pistones (6), por lo
que se inyecta agua en el motor de combustión interna cuando éste
está en funcionamiento, y porque los componentes que se condensan
comprenden el agua inyectada en la unidad de motor de combustión
interna.
12. Un método de acuerdo con la reivindicación 9
o la reivindicación 10, caracterizado porque se hace que los
gases circulen esencialmente hacia arriba en el espacio de dentro de
la envuelta interior (9.1) mientras reciben calor de los gases
calientes que circulan esencialmente hacia abajo en la disposición
(5) de flujo en canal, por el espacio formado por la envuelta
exterior (8.1) y la envuelta interior (9.1) de la misma.
13. Un método de acuerdo con la reivindicación
11, caracterizado porque la cantidad de vapor de agua
condensado a partir de los gases de escape del motor (6) es mayor
que la cantidad de agua generada en el proceso de combustión del
combustible.
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