ES2450041A1 - Sellado de huelgo por recirculación parcial de fluido en intercambiador rotativo de calor - Google Patents

Abstract

Sellado de huelgo por recirculación parcial de fluido en intercambiador rotativo de calor. El sellado consiste en una estructura con dos bocas o huecos paralelos en el confín que hay ante cada cara del rotor en el extremo interior del correspondiente tabique separador entre los circuitos de calentamiento y enfriamiento, estando las bocas conectadas con el circuito de su lado a través de los huelgos con la cara del rotor, y habiendo entre ambas bocas un labio central diametral que las separa, y estando la boca del lado del circuito que está a baja presión relativa, conectada a una toma de fluido que está aguas debajo de la máquina impulsora de escape de ese circuito, por lo que se recircula una fracción de fluido hacia dicha boca, subiendo su presión e inhibiendo así el cruce de fluido de un circuito a otro.

Description

W090/14976. En los últimos años, en el campo de las turbinas de gas, y de queroseno de muy alta temperatura, los árabes de la turbina se protegen mediante estrechas películas de aire frío que se inyectan desde dentro del álabe hacia afuera, pues en la parte exterior están los gases procedentes de la cámara de combustión, a alta presión y alta temperatura. De esa manera se evita que los gases tan calientes afecten directamente al álabe, como puede verse en los documentos US2010/0080707 y US2013/0213057.

En el ámbito concreto en el que se inscribe esta invención, hay utilización de flujos de aire de carácter auto-oscilante en rotores regenerativos tanto para calentadores horizontales basados en diafragmas, y descritos en el documento MXPA02010654A, como en rotores verticales, descritos en el documento MXPA02010901A. No obstante, estas invenciones se refieren a las pérádas de aire por otras vías.

En concreto sobre el huelgo antedicho entre cada cara del tambor y su tabique correspondiente, la mayor parte de las invenciones hacen referencia a sellos mecánicos, como se describe en el documento US4111257. O a sellos, también mecánicos, pero más flexibles, que incluyen escobillas, como se describe en el documento US5529113. Posiblemente el documento más cercano en la configuración de los tabiques separadores sea US20130161911A 1.

Ninguno de estos documentos ni ningún otro que sea conocido de los solicitantes, aborda el tema basándose en la recirculación parcial del flujo de alta presión en la parte adecuada de cada circuito, que es la base de la invención aquí propuesta.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER

El problema a resolver es evitar que haya paso de un fluido (típicamente gas, y usualmente aire) desde un lado del tabique de separación entre circuitos, al otro lado del tabique, a través del huelgo que queda entre el confin del tabique y la cara rotativa del rotor o tambor de relleno, que gira muy próximo a dicho confín. la manera habitual de reducir ese flujo cruzado indeseable es utilizar unas escobillas o juntas de caucho que prácticamente froten contra la cara del rotor; pero las escobillas implican multitud de pequeños canales por los cuales el aire o el gas pueden atravesar, si la diferencia de presiones entre un lado y otro del tabique es suficientemente alta.

Este es el caso de los intercambiadores rotativos; pues en cada circuito, el compartimento que está aguas arriba del rotor está a presión más alta que el compartimento aguas abajo del rotor. Como ambos circuitos funcionan a contrafase, junto a cada compartimento a alta presión está, al otro lado del tabique, el compartimento de menor presión del otro circuito; siendo succionado el fluido (generalmente un gas, y por lo común, aire) de este último compartimento por el circulador o máquina impulsora (generalmente un ventilador) que hay a la salida de ese circuito para su expulsión del intercambiador. Dicha succión del circulador de escape por ese lado, succiona asimismo a través del huelgo entre el confín del tabique y la cara rotativa del rotor y hace que entre el fluido de alta presión que estaba en disposición de atravesar el rotor en el otro circuito, pase a la zona de baja presión citada, desde la cual es succionado por el circulador o máquina impulsora.

El problema a resolver es CÓmo introducir una pérdida de carga manométrica o unas condiciones de presión dadas en el antedicho huelgo, para minimizar o anular el paso del gas de un circuito a otro; y aplicar la solución encontrada a cada cara del rotor.

EXPLICACiÓN DE LA INVENCiÓN

La invención se aplica a cada cara del rotor de un intercambiador rotativo, en el huelgo que queda entre dicha cara y el confín del tabique correspondiente de separación entre los circuitos de calentamiento y de enfriamiento, y comprende:

una configuración del confin del tabique en la que existe un labio central diametral, que está encarado frente a un diámetro virtual del rotor, que deja un huelgo con la cara rotativa del rotor, que es el huelgo central diametral; un labio lateral por el lado del circuito que está a alta presión relativa en esa zona, dejando entre este labio y el labio central diametral, una boca o hueco dentro del tabique, susceptible de llenarse del fluido (usualmente gas) a alta presión existente en el comportamiento de ese lado; un labio lateral por el lado del circuito que está a baja presión relativa en esa zona, dejando entre este labio y el labio central diametral, una

boca o hueco dentro del tabique, estando esta boca, por su pared más alejada del confin del tabique, conectada a un conducto que aporta una fracción del fluido impulsado por el circulador o máquina impulsora que empuja el escape desde ese circuito; pues dicho conducto de recirculación está conectado a una toma de aire o gas que está aguas abajo de la impulsión del circulador o máquina impulsora de escape de dicho circuito, y una fracción del gas o aire impulsado por el circulador o máquina impulsora hacia afuera vuelve por la toma antedicha, y subsiguiente conducto, hasta la boca del labio de baja presión, desde la cual pasa al compartimento de ese circuito que está aguas abajo del rotor, con lo que se completa la recirculación de esa fracción de fluido; y estando ambas bocas, a cada lado del labio central diametral, conectadas a un manómetro diferencial, cuya senal de salida, de tipo eléctrico, es proporcional a la diferencia de presiones entre la boca lateral del labio del circuito de baja presión, cuya presión de dicha boca se toma en el manómetro como minuendo, y la boca lateral del labio del circuito de alta presión, cuya presión de dicha boca se toma en el manómetro como sustraendo; estando dicho conducto de recirculación gobernado por una electroválvula que se activa en función de la senal recibida desde el manómetro diferencial ya descrito, y cuando la señal del manómetro es positiva, se cierra la válvula, y se anula el caudal de recirculación; y cuando la señal es negativa, se aumenta la apertura de la válvula, lo cual aumenta dicho caudal, y la presión en dicha boca.

Actuando sobre la electroválvula según lo indicado, se mantiene una presión prácticamente igual en ambas bocas, lo cual hace que el huelgo del labio central diametral quede en equilibrio barómetrico, quedando anulado el gradiente de presión a través de dicho huelgo, lo cual anula la causa que produce el flujo cruzado desde un lado del tabique al otro, en cada cara del rotor.

EXPLICACiÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 muestra una perspectiva de un rotor regenerativo encastrado en su armadura y suspendido por su eje de giro desde los tabiques que hacen de separación, por cada cara, entre el circuito de enfriamiento y el circuito de calentamiento.

La figura 2 muestra un corte transversal de todo el conjunto en el que se encuentra el rotor en el medio, y por cada lado los tabiques de separación entre los circuitos correspondientes de calentamiento y enfriamiento, señalándose así mismo los flujos principales de aire o gas, y los flujos indeseables de desviación

o cruce desde un circuito a otro.

La figura 3 es una ampliación de la zona del huelgo entre el confin del tabique y la cara correspondiente del rotor.

La figura 4 muestra un corte a lo largo de un plano de un tabique, frente a una cara del rotor, y en la parte del tabique un dobfe montaje de recirculación de gas o de aire, uno para el semiespacio superior del tabique y el otro para el inferior, por tener una estructura dinámica distinta, dado que en un caso el rotor al girar ve primero el labio lateral de un costado del tabique, y en el otro semiespacio ve primero el labio del otro costado.

MODO PREFERENTE DE REALlZACION DE LA INVENCION

Para facilitar la comprensión de las figuras de la invención, y de sus modos de realización, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma:

1.

Tambor cilíndrico giratorio, o rotor.

2.

Armadura de contención del rotor

3.

Eje de giro del rotor, encastrado en un rodamiento puesto en el centro del confín del tabique

4.

Tabique derecho

5.

Confín del tabique derecho

6.

Tabique izquierdo

7.

Boca de admisión del circuito de calentamiento

8.

Filtro a la entrada del circuito de calentamiento

9.

Zona del circuito de calentamiento previa al rotor, con nivel de presión alto, en relación a su compartimento vecino, 26.

10.

Indicación de flujo cruzado por el huelgo desde el circu~o de calentamiento al circuito de enfriamiento

11 . Indicación de la dirección del flujo principal en el circuito de calentamiento.

12.

Zona de minima presión en el circuito de calentamiento

13.

Indicación de flujo cruzado desde el circuito de enfriamiento al de calentamiento

14.

Circulador o máquina impulsora (generalmente un ventilador) en la extracción o escape del circuito de calentamiento

15.

Toma de fluido impulsado por el circulador 14, y que se recicla al hueco 24 en el confin del tabique izquierdo (6)

16.

Conducto desde la toma 15 hasta la boca o hueco del lado de baja presión, 24.

17.

Electroválvula del circuito 16

18.

Boca de salida de circuito de calentamiento

19.

Boca de entrada de circuito de enfriamiento

20.

Filtro tras la boca de entrada al circuito de enfriamiento

21 . Manómetro diferencial (en el tabique 6)

22.

Conexiones del manómetro con las bocas o huecos del confin 40

23.

Boca del lado de alta presión en el circuito de enfriamiento,en el tabique 6

24.

Boca del lado de baja presión en el circuito de calentamiento (en el tabique 6)

25.

Indicación de la dirección del flujo en el circuito de enfriamiento

26.

Zona de baja presión en el circuito de enfriamiento

27.

Boca en el lado de baja presión en el circuito de enfriamiento (en el tabique 4)

28.

Boca en el lado de alta presión en el circuito de calentamiento (en el tabique 4)

29.

Conexiones del manómetro 30 con las bocas del confín 5

30.

Manómetro diferencial entre las bocas 27 y 28 del confin 5

31 . Conducto de recirculación de aire impulsado por el circulador 32, de escape en el circuito de enfriamiento

32.

Circulador o máquina impulsora del circuito de enfriamiento

33.

Electroválvula del conducto 31

34.

Toma de aire o gas de recirculación por el conducto 31

35.

Boca de salida del circuito de enfriamiento

36.

Zona de alta presión en el circuito de enfriamiento.

37.

Labio central diametral del confin (40) del tabique izquierdo (6)

38.

Labio lateral de la zona de alta presión del circuito de enfriamiento.

39.

labio lateral de la zona de baja presión del circuito de calentamiento

40.

Confín del tabique izquierdo, 6

41 . Huelgo central diametral en el confin (40) del tabique izquierdo (6) que limita con el labio diametral central 37

42.

Conexión eléctrica de mando desde el manómetro diferencial (21) a la electroválvula (17)

43.

Cojinete del eje del rotor en el tabique 6

44.

Eje de simetría vertical en el confin del tabique 4 y diámetro virtual en la cara del rotor

45.

Eje longitudinal del intercambiador en su conjunto

46.

Cara del rotor frente al tabique 6

47.

Cara del rotor frente al tabique4

Además se sef'ialan los siguientes elementos, que corresponden a los mostrados en el semiespacio inferior de la figura 4, y son homólogos a los del número que los distinguen, a los que se ha añadido el identificador gr".

15r. Toma de aire impulsado por el circulador o máquina impulsora (ventilador) 14, y que se reacia al hueco 24r

16r. Conducto desde la toma 15r hasta la boca 24r del lado de baja presión,

17r. Electroválvula del circuito 16r

21r. Manómetro diferencial conectado a la boca 24r y su opuesta de arta presión

22r. Conexiones del manómetro 21 r con las boca 24r y su opuesta de alta presión

24r. Boca del semiespacio inferior del lado de baja presión en el circuito de calentamiento

41r. Huelgo central diametral en el confin (40) en el semiespacio inferior

42r. Conexión eléctrica de mando desde el manómetro diferencial 21r la electroválvula 17r

Para la aplicación de la invención y su materialización se puede partir de un intercambiador rotativo ya existente, en cuyos tabiques de separación se efectúan las modificaciones acordes con la explicación anterior, o se diseña y construye de nuevo con arreglo a dicha explicación.

La invención requiere la modificación, o la construcción de una nueva pieza del confin, de un material que permanezca sólido en todo el rango operativo de temperaturas, y que ofrezca buenas propiedades para ser trabajado mecánicamente o se pueda componer de piezas que se ensamblen firmemente entre sí, por soldadura, especialmente si es metálico, o por adhesivo, tipo silicona, en caso de ser cerámico o elastómero.

El confín (5, 40), en sentido transversal desde un circuito de fluido al otro, se divide en tres partes aproximadamente iguales: la del centro se deja tal cual, y su separación respecto de la cara del rotor ha de ser tan pequeña como permita la precisión del montaje y del equilibrado del rotor en su giro. Cada una de las partes laterales se ha de construir o montar dejando aproximadamente la mitad interior de esa parte, en sentido transversal, hueca, mientras que la parte más exterior es sólida, y está en perfecta continuidad con la pared exterior del tabique, y forma una pared labial que confina el hueco de la boca de ese lado, que a su vez queda confinada por el labio central; que debe quedar encarado a un diámetro virtual del círculo barrido por el rotor en su giro.

Las bocas laterales (23 y 24; 27 Y 28) con su correspondiente labio lateral cada una, no son iguales, aunque ambas tienen en común estar conectadas a un manómetro diferencial (21 , 29) que mide la diferencia de presiones entre ambas bocas, presentando siempre la diferencia de presiones entre la boca que está en el lado del circuito que está a baja presión relativa (24, 27), Y la boca del lado de alta presión relativa (23,28). Lógicamente el manómetro diferencial debe estar muy próximo a ambas bocas y simétrico respecto de ellas, para evitar medidas falseadas. Aparte de esa conexión con el manómetro diferencial, la boca del lado que está a mayor presión (23, en flQura 3), relativa al otro lado, no lleva ningún aditamento, y se llena del gas o aire que entra por el labio (38) de ese lado, creando una zona de presión bien definida, que será algo inferior a la presión del circuito de gas o aire de ese lado (36, figura 2).

La boca (24) que corresponde al circuito del otro lado ha de unirse al circuito (16) de recirculación parcial de gas o aire desde el escape de ese circuito. Este montaje puede hacerse de diversa fonna; siendo la más simple posiblemente la de anadir o fijar en el exterior del tabique un tubo de material compatible con el gas o aire recirculado, uniendo un extremo del tubo, que llamamos extremo interior, a la boca del lado de baja presión, y uniendo el otro extremo, el exterior, a una toma (15) de aire o gas de escape, que ha de estar aguas abajo del circulador de escape (14). Una pieza fundamental en ese circuito, que puede ubicarse en cualquier punto de fácil acceso del tubo de recirculación, es la electroválvula (17) que controla el paso de fluido por el tubo, y que a su vez está controlada por la medida del manómetro diferencial. La electroválvula se activa en función de la senal recibida desde el manómetro diferencial, de tal manera que cuando la senal del manómetro es positiva, se cierra la apertura de la válvula, reduciéndose el caudal de recirculación, incluso hasta anularlo; y cuando la se"'al es negativa se ha de aumentar la apertura de la válvula, lo cual aumenta dicho caudal, y aumenta la presión en dicha boca. Desde ella, el aire o gas recirculado pasa al circuito del mismo fluido del que se ha extrafdo el caudal de recirculación, pero tal perturbación es muy pequena, porque el caudal recirculado es proporcional al volumen de la boca, y éste es mucho menor que el volumen del circuito (12) desde la salida del rotor hasta el circulador.

Las dimensiones f1sicas de las diversas partes comprendidas en la invención son proporcionales a las dimensiones del intercambiador, y a los valores usuales de sus parámetros o variables intensivas. Por ejemplo, la velocidad de paso del gas o del aire a través del tambor suele estar comprendida entre 2 y 5 mIs. Un rotor de 20 cm de radio con un relleno que ocupe el 20% del tambor, expone una sección recta para el paso del gas o del aire de 0,1 m2 en total, la mitad para cada circuito. Admitiendo una velocidad de 4 mIs, el caudal de cada circuito seria de 0,2 m3/s. Un valor representativo de la densidad media del aire en esos recuperadores es de 1,2 kglm3, lo que daría un flujo másico de 0,24 kg/s en cada dirección. El calor específico del aire a presión constante es prácticamente 1 kJ/kg -K, por lo que si la recuperación termométrica es de 20 grados, como puede ser en una aplicación doméstica, implica una transferencia de un fluido al otro de 4,8 kW.

El mayor problema es la diferencia de presiones entre un circuito y otro, a cada lado del confín (5,40) de un tabique, que es a su vez sensiblemente igual a la pérdida de altura manométrica al atravesar el rotor (1), cuyo canales celulares tienen un diámetro hidraulico equivalente de aproximadamente 0,1 cm, con una longitud no inferior a 10 cm. Admitiendo una viscosidad de 18·10-& Pa-s, el Reynolds sale muy pequeño, de unos 260. El factor de fricción laminar es 64/Re, que da en este caso 0,25; por lo que la pérdida de carga manométrica es

P= 0,25·(UD)·(d·v'/2)

Siendo L la longitud del rotor, O el diámetro de un canal, d la densidad del aire y v su velocidad, lo que da un valor, con los números antes supuestos, de 240 Pa.

Para contrarrestar ese efecto hace falta recircular aire desde la salida del circulador (14) que es un ventilador en este caso, que lógicamente ha de proporcionar un incremento de altura manométrica que compense no sólo la pérdida de carga en el rotor, sino en todo el circuito, más lo necesario para impulsar todo el aire del escape de ese circuito con la necesaria velocidad. Ello puede requerir una impulsión de unos 400 Pa, para un caudal de 0,2 m3/s, lo que supone una potencia mecánica de 80 W, que no llega a un 2% de la potencia térmica extraída, pero esto no es especifico de la invención.

Lo específico es activar una recirculación que impida el paso del aire o gas desde el otro lado del tabique_ Para eso habría que inyectar, en los huelgos de los dos semi-espacios (24 y 24r, véase figura 4), aire a una velocidad que equilibrara los 240Pa de diferencia de presión en ambos lados del tabique, para lo cual se cuenta ahora que L, que es la anchura del labio lateral, será de unos miHmetros (digamos 5) y D será ahora sensiblemente igual a la anchura del huelgo, de unas 50 micras, por lo que UD sigue siend0100. Como el factor de fricción aumentará en la misma medida que el Reynolds disminuya, se tiene la ventaja de que éste será 20 veces menor por la reducción del diámetro ( lo cual hace innecesario tener en cuenta la pérdida de carga ocasionada por el estrangulamiento, que será aproximadamente la mitad de la presión dinámica que lleve el aire) de modo que se tiene

240= (64·viscosidad/d.v.D)·(UD)·(d·v'/2)

Lo cual proporciona una velocidad de tan sólo 0,2 mIs, asociada a una sección recta de 40 cm de alto y 50 micras de ancho, lo que significa 2' 10-5 m 2, y por tanto un caudal recirculado de 0,4'10-5 m3/s, es decir, 20 partes por millón del caudal principal.

Por descontado, estos valores son muy sensibles al tamaño del huelgo. Si este fuera el dobte de lo supuesto, la velocidad saldría 4 veces mayor (pasaría a 0,8 mis, y el caudal seria 8 veces mayor, pasando a 160 partes por millón, que sigue siendo una fracción exigua, de 0,016 % del caudal principal.

La potencia mecánica disipada en la recirculación sería proporcionalmente algo superior a esa fracción, por las pérdidas adicionales, pero resulta un porcentaje despreciable (frente a otras incertidumbres y tolerancias que puede haber).

En definitiva, con una diminuta recirculación del propio aire o gas del conducto en cuestión, se consigue detener el flujo que habría de mezcla desde el conducto del otro lado del tabique.

Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificación de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1 -Se/fado de huelgo por recirculaci6n parcial de fluido en intercambiador rotativo de calor, que se aplica a cada cara del rotor de un intercambiador rotativo, en el huelgo que queda entre dicha cara y el confin del tabique correspondiente de separación entre los circuitos de calentamiento y de enfriamiento, caracterizado porque comprende:

   una conf¡guración del confin del tabique (4,6) en la que se existe un labio central diametral (37), que está encarado frente a un diámetro virtual del rotor (1), y que deja un huelgo (41) con la cara rotativa (46) del rotor, que es el huelgo central diametral; un labio lateral (38) por el lado del circuito que está a alta presión relativa en esa zona, dejando entre este labio y el labio central diametral (37), una boca (23) o hueco dentro del tabique, susceptible de llenarse del fluido a alta presión existente en el compartimento (36) del circuito de ese lado;

   un labio lateral (39) por el lado del circuito que está a baja presión relativa en esa zona, dejando entre este labio y el labio central diametral (37), una boca (24) o hueco dentro del tabique, estando conectada esta boca, por su pared más alejada del confin (40) del tabique, a un conducto (16) que aporta una fracción del fluido impulsado por el circulador o máqUina impulsora (14) que empuja el escape desde ese circuito; por estar dicho conducto (16) conectado a una toma de fluido (15) que está aguas abajo de la impulsión del circulador de escape de dicho circuito, y una fracción del fluido impulsado por el circulador hacia afuera vuetve por la toma (15) antedicha, y subsiguiente conducto (16), hasta la boca (24) del labio de baja presión, desde la cual pasa al compartimento de ese circuito que está aguas abajo del rotor, con lo que se completa la recirculadón de esa fracción de fluido.

   2 -Sellado de huelgo por recirculación parcial de fluido en intercambiador rotativo de calor, según reivindicación primera, caracterizado porque ambas bocas (23,24) a cada lado del labio central diametral (37), están conectadas a un manómetro diferencial (21), cuya señal de salida, de tipo eléctrico, es proporcional a la diferencia de presiones entre la boca lateral (24) del labio del circuito de baja presión, cuyo presión de dicha boca se toma en el manómetro como minuendo, y la boca lateral (23) del labio del circuito de alta presión, cuya presión de dicha boca se toma en el manómetro como sustraendo; estando el

   5 caudal del conducto de recirculación (16) gobernado por una electroválvula (17) que se activa en función de la señal recibida desde el manómetro diferencial (21) ya descrito, y cuando la señal del manómetro es positiva, se cierra la electroválvula, y se anula el caudal de recirculación; y cuando la señal es negativa, se aumenta la apertura de la electroválvula (17), lo cual aumenta dicho

   10 caudal, y la presión en dicha boca (24) a la que se recircula el fluido.

   Figura 1

   17 18 14

   Figura 2

   Figura 3

   Figura 4