ES2539246B1 - Caldera vertical de combustible solido - Google Patents
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Abstract
La presente invención consiste en una caldera vertical que funciona con combustibles sólidos, como por ejemplo, biomasa, carbón, madera, etc. La caldera comprende un hogar dividido en dos secciones. Una sección inferior, en donde se consigue una combustión parcial del combustible sólido, y una sección superior, en donde, gracias a la introducción de un flujo de aire secundario, se completa la combustión de los gases generados en la sección inferior. Entre ambas secciones del hogar está dispuesto un estrechamiento que permite aumentar la velocidad de los gases de la combustión parcial para su mezclado con el flujo de aire secundario para completar la combustión.
Description
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DESCRIPCION
Caldera vertical de combustible solido. OBJETO DE LA INVENCION
La presente invention se engloba en el campo de las calderas verticales, es decir, con el hogar dispuesto en position vertical, que funcionan con combustibles solidos, como por ejemplo, biomasa, carbon, madera, etc.
Dicha invencion fundamentalmente propone una caldera que comprende un hogar dividido en dos secciones. Una section inferior, en donde se consigue una combustion parcial del combustible solido, y una seccion superior, en donde se completa la combustion de los gases generados en la seccion inferior.
Entre ambas secciones del hogar esta dispuesto un estrechamiento que permite aumentar la velocidad de los gases de la combustion parcial antes de su mezclado con el flujo de aire secundario para completar la combustion.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
En referencia al estado de la tecnica, debe mencionarse que se conocen y comercializan distintos tipos de calderas tanto de uso domestico como industrial.
Las calderas para quemar combustible solido generalmente comprenden un dosificador que hace llegar el combustible solido a un hogar o camara de combustion.
En el fondo del hogar hay una parrilla sobre la cual se quema el combustible solido. Dicha parrilla tambien es capaz de retener y descargar las cenizas hacia un cenicero ubicado debajo de la misma.
El gas de escape de la combustion generado en el hogar pasa a traves de un intercambiador de calor transfiriendo dicho calor al agua para su posterior empleo, por ejemplo, en sistemas de calefaccion, de agua caliente sanitaria, etc.
Para llevar a cabo la combustion del combustible solido depositado sobre la parrilla es necesario suministrar a dicha camara de combustion cierta cantidad de aire.
La tecnologla de combustion actualmente empleada en las calderas de combustibles solidos incluye una fase de gasification (combustion incompleta) del combustible dispuesto sobre la parrilla, empleando para ello un flujo de aire primario que penetra por la parte inferior del hogar, en direction contraria a la introduction del combustible solido, pasando a traves del lecho de dicho combustible solido depositado sobre la parrilla.
Posteriormente, se lleva a cabo una fase de combustion completa o total, en donde se aporta una segunda cantidad del aire necesario para completar la combustion del gas generado en la anterior fase.
Por ejemplo, en el documento de patente EP 2083215, publicado el 29 de julio de 2009, muestra una caldera domestica vertical alimentada por combustible de biomasa granular, tal como, pellets.
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La caldera comprende un hogar conformado por una o mas partes verticales, las cuales son conformadas con secciones transversales con determinada y diferente geometria para lograr el ascenso de los gases de la combustion a una determinada velocidad que garantice que dichos gases permanezcan dentro del hogar hasta que se haya logrado su combustion completa.
El hogar se encuentra dispuesto en el interior de una camara por donde circula el aire para la combustion, el cual llega al hogar pasando a traves de la parrilla, y especialmente, a traves de unos orificios conicos practicados en la pared del hogar.
La presente solucion tiene la desventaja de que el flujo de aire secundario no es inyectado de tal forma que cree una turbulencia que le facilite mezclarse completamente con los gases, con vistas a lograr la combustion completa de dichos gases.
Tampoco esta solucion muestra que dicho flujo de aire secundario pueda ser controlado, garantizando la combustion completa del material de manera eficaz y eficiente.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
A la vista de lo anteriormente enunciado, la presente invention se refiere a una caldera vertical de combustible solido.
La caldera comprende un hogar en el que se introduce el combustible solido en direction contraria a un flujo de aire primario ascendente. Esto permite configurar un lecho de combustible solido uniforme, a la vez que se acelera su proceso de reaction.
El flujo de aire primario, una vez introducido en el hogar por su parte inferior, atraviesa una parrilla dispuesta en el extremo inferior del hogar. La parrilla soporta al lecho de combustible solido sobre un cenicero a donde van a parar las cenizas producidas por la combustion del combustible solido, mientras que los gases generados ascienden a traves del hogar y alcanzan su combustion completa al mezclarse con un flujo de aire secundario que se introduce en el hogar.
Por otra parte, el extremo superior del hogar posee comunicacion fluida con un sistema intercambiador de calor, en donde es aprovechado el contenido energetico de los gases de escape de la combustion.
El hogar esta dividido en dos secciones. Una section inferior, en donde se consigue una combustion parcial del combustible solido, y una seccion superior, en donde, gracias a la introduction del flujo de aire secundario, se completa la combustion de los gases generados en la seccion inferior.
La seccion inferior del hogar parte desde la cara superior de la parrilla aumentando su seccion transversal en forma de un primer cono invertido, seguido de un primer tramo recto, cuyo diametro es igual al diametro mayor del primer cono invertido, y terminado en un tramo conico.
En cambio, la seccion superior parte de un segundo cono invertido con un diametro menor igual o menor que el diametro menor del tramo conico de la seccion inferior, seguido de un segundo tramo recto, cuyo diametro es igual al diametro mayor del segundo cono invertido.
Entre la seccion inferior y la seccion superior del hogar esta dispuesto un estrechamiento en forma de un tercer tramo recto, cuyo diametro es igual o menor que el diametro menor del tramo conico de la seccion inferior.
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Esta novedosa configuration estructural del hogar logra que en su section inferior se acumule el combustible solido copiando la geometria de la pared interior del primer cono invertido, permitiendo regular la position del frente de llama, es decir, el area de reaction de combustion se posiciona a diferente altura, en funcion de la potencia requerida a la caldera.
Asi mismo, el estrechamiento dispuesto entre ambas secciones del hogar, permite aumentar la velocidad de la corriente de los gases generados en la section inferior. De esta manera, cuando se produzca el choque entre dicha corriente de gases y el flujo de aire secundario, genera una turbulencia tal que facilita el mezclado de ambos fluidos, llegando a completarse la combustion de los gases en la section superior del hogar, antes de ser arrastrados al sistema intercambiador de calor.
Otra ventaja es que el hogar y el sistema intercambiador de calor se han dispuestos en modulos aparte, facilitando las labores de acceso del equipo a las salas de calderas, asi como, lograndose la compactacion de la caldera, disminuyendo sus dimensiones y posibilitando su montaje modular.
DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Se complementa la presente memoria descriptiva, con un juego de figuras, ilustrativas del ejemplo preferente y nunca limitativas de la invention.
La figura 1 representa una vista superior de la caldera vertical de combustible solido.
La figura 2 representa una vista frontal en corte AA de la figura 1, en donde se muestra el hogar y el cenicero.
La figura 3 representa una vista lateral en corte BB de la figura 1, en donde se muestra el hogar en comunicacion fluida con el sistema intercambiador de calor.
La figura 4 representa una vista posterior en corte CC de la figura 1, en donde se muestra el sistema intercambiador de calor, espetificamente, el intercambiador de calor tubular.
EXPOSICION DETALLADA DE LA INVENCION
La presente invencion es una caldera vertical de combustible solido para ser empleada en sistemas de calefaccion, de agua caliente sanitaria, etc.
Como se aprecia en la figura 1, la caldera comprende un hogar (1) cuyo extremo superior posee comunicacion fluida con un sistema intercambiador de calor (6), en donde es aprovechado el contenido energetico de los gases de escape de la combustion para su empleo en los sistemas antes descritos.
Como muestra la figura 2, la alimentation del combustible solido (2) a la caldera, por ejemplo, biomasa granulada en forma de pellets, parte de un deposito de combustible (16) incluido en la propia caldera.
La carga de dicho deposito de combustible (16) puede realizarse de forma manual, a traves del vaciado de sacos de combustible solido (2), o de forma automatica, a traves de la descarga del combustible proveniente de otro deposito de mayores dimensiones mediante un sistema de sinfm o un sistema neumatico (no visto en las figuras).
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Para detectar la necesidad de llenado del deposito de combustible (16), puede colocarse un sensor (no visto en las figuras) en su interior que de indicaciones visuales y/o sonoras cuando la cantidad de combustible solido (2) disponible en dicho deposito es menor que un valor prefijado.
El combustible solido (2) se introduce en el hogar (1) en direction contraria a un flujo de aire primario (3) ascendente que penetra en dicho hogar (1) por su parte inferior. El flujo de aire primario (3) es impulsado por el ventilador (17) dispuesto debajo del hogar (1).
Como puede verse en las figuras 2 y 3, el hogar (1) esta divido en dos secciones (1.1, 1.2). Una section inferior (1.1), en donde se consigue una combustion parcial del combustible solido (2), y una seccion superior (1.2), en donde, por la introduction de un flujo de aire secundario (7), se completa la combustion de los gases generados en la seccion inferior (1.1).
En la seccion inferior (1.1) es donde se forma el lecho de combustible solido (2) soportado por una parrilla (4), la cual esta dispuesta en el extremo inferior del hogar (1). La parrilla (4) es atravesada por el flujo de aire primario (3).
En otros ejemplos de realization, el flujo de aire primario (3) puede estar comprendido por gases de combustion recirculados procedentes de la derivation (13) dispuesta en el conducto de salida (20) de los gases de escape, o por una mezcla de aire y gases de combustion recirculados.
La parrilla (4) queda dispuesta sobre un cenicero (5), a este ultimo van a parar las cenizas producidas por la combustion del combustible solido (2), mientras que los gases productos de la combustion ascienden a traves del hogar (1).
En tal sentido, sobre la parrilla (4) se retiene el combustible solido (2) hasta su conversion en cenizas, impidiendose disminuir el rendimiento de la caldera por perdida de combustible solido (2).
Preferiblemente, la parrilla (4) desarrolla un movimiento circular, que permite evitar la acumulacion de cenizas sobre la misma, al mismo tiempo que homogeniza el lecho de combustible solido (2).
Asl mismo, se prefiere que debajo de la parrilla (4) este dispuesto un tornillo sinfln (10) que permite la evacuation de las cenizas hacia el cenicero (5).
La seccion inferior (1.1) del hogar (1) parte desde la cara superior de la parrilla (4) aumentando su seccion transversal en forma de un primer cono invertido (1.1.1).
Precisamente, el lecho de combustible solido (2) se conforma en el espacio limitado entre la cara superior de la parrilla (4) y dicho primer cono invertido (1.1.1) de la seccion inferior (1.1) del hogar (1), lo que permite que el area de reaccion de combustion pueda ser posicionada a diferente altura en funcion de la potencia generada, esta ultima condicionada por el flujo primario de aire (3) que atraviesa dicho lecho de combustible.
Seguido del primer cono invertido (1.1.1) se dispone un primer tramo recto (1.1.2) cuyo diametro es igual al diametro mayor del primer cono invertido (1.1.1).
Dicho primer tramo recto (1.1.2) ayuda a conformar de manera homogenea el lecho de combustible solido (2), de ahl la necesidad de que el aporte de combustible solido (2) se realice lo mas centrado posible en el hogar (1).
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La seccion inferior (1.1) del hogar (1) termina en un tramo conico (1.1.3) dispuesto a continuation de dicho primer tramo recto (1.1.2).
Preferentemente, la entrada del combustible solido (2) en el hogar (1) se realiza a traves de un dosificador (11) dispuesto en comunicacion fluida con el tramo conico (1.1.3) de la seccion inferior (1.1).
Debido a que la caldera trabaja en depresion e interesa que el flujo de aire primario (3) pase a traves del lecho de combustible solido (2), la entrada de combustible solido (2) debe ser sellada al paso de dicho flujo de aire. Para ello, se prefiere que el dosificador (11) este provisto de una valvula rotativa (12) del tipo alveolar.
Siguiendo al tramo conico (1.1.3), es decir, entre la seccion inferior (1.1) y la seccion superior
(1.2) del hogar (1), esta dispuesto un estrechamiento en forma de un tercer tramo recto (1.3), cuyo diametro es igual o menor que el diametro menor del tramo conico (1.1.3) de la seccion inferior (1.1).
Preferentemente, el flujo de aire secundario (7) se aporta a traves de dicho tercer tramo recto
(1.3) .
Asl mismo, se prefiere que en la pared interior del tercer tramo recto (1.3) este dispuesto un labrado en forma de voluta (no mostrado en las figuras) que acelera y favorece la mezcla entre los gases generados en la seccion inferior (1.1) y el flujo de aire secundario (7), al crear turbulencia entre ambos fluidos mediante un movimiento en espiral.
Preferentemente, el flujo de aire secundario (7) es regulado en funcion de la cantidad de oxlgeno existente en los gases de escape. Para ello, puede ser empleada una sonda lambda (8), dispuesta proxima al conducto de salida (20) de los gases de escape, que mide la concentration de oxlgeno y actua sobre la velocidad de un ventilador (9) que inyecta el flujo de aire secundario (7) en el hogar (1).
Por su parte, la seccion superior (1.2) del hogar (1) parte de un segundo cono invertido (1.2.1) con un diametro menor igual o menor que el diametro menor del tramo conico (1.1.3) de la seccion inferior (1.1), seguido de un segundo tramo recto (1.2.2), cuyo diametro es igual al diametro mayor del segundo cono invertido (1.2.1).
La geometrla y volumen de la seccion superior (1.2) del hogar (1), garantiza el mezclado completo de los gases generados en la seccion inferior (1.1) con el flujo de aire secundario (7), lograndose una combustion total de los gases generados en dicha seccion inferior (1.1), antes de salir al sistema intercambiador de calor (6).
Preferiblemente, la seccion inferior (1.1), la seccion superior (1.2) y el tercer tramo recto (1.3) del hogar (1) estan recubiertos con un material refractario (19).
El material refractario (19) empleado, sobre todo en la seccion superior (1.2) del hogar (1), debe permitir mantener una temperatura elevada dentro del hogar (1) para lograr la completa elimination de las partlculas arrastradas durante la combustion llevada a cabo en la seccion inferior (1.1) del hogar (1).
De igual manera, se prefiere que la seccion inferior (1.1), la seccion superior (1.2) y el tercer tramo recto (1.3) del hogar (1) esten envueltos en una camisa de agua (14) que minimiza las perdidas termicas de los gases de la combustion.
Por su parte, preferentemente, el sistema intercambiador de calor (6) comprende, dispuestos en serie, un intercambiador de calor en cascada (6.1) seguido de un intercambiador de calor tubular (6.2).
El intercambiador de calor en cascada (6.1) recoge un porcentaje elevado de la potencia y limita el arrastre de partlculas, contenidas en los gases de la combustion, hacia el intercambiador tubular (6.2). La geometrla del intercambiador de calor en cascada (6.1) ayuda a que dichas partlculas vayan chocando contra las paredes del intercambiador y decanten 10 hacia un cenicero (6.1.1), dispuesto en su parte inferior.
Preferiblemente, el cenicero (6.1.1) del intercambiador de calor en cascada (6.1) esta cubierto por una camisa de agua (6.1.2).
15 Las camisas de agua, tanto alrededor de los componentes del hogar (1) como del cenicero (6.1.1) del intercambiador de calor en cascada (6.1), permiten evitar las perdidas por radiacion de dichos elementos y actuar como sistemas de inercia.
En cuanto al intercambiador de calor tubular (6.2), tiene tres pasos de humos para maximizar 20 su rendimiento de transferencia de calor, ademas de un sistema de limpieza automatico (18).
Preferentemente, a la salida del intercambiador de calor tubular (6.2), despues de la sonda lambda (8), esta dispuesto al menos un ventilador extractor (15) que garantiza la circulation de los gases de la combustion a traves del hogar (1) y el sistema intercambiador de calor (6).
Claims (15)
- 5101520253035404550REIVINDICACIONES1. - Caldera vertical de combustible solido que comprende un hogar (1), en el que se introduce el combustible solido (2) en direction contraria a un flujo de aire primario (3) ascendente que penetra en dicho hogar (1) por su parte inferior, dicho flujo de aire primario (3) atraviesa una parrilla (4) dispuesta en el extremo inferior del hogar (1), la parrilla (4) soporta un lecho de combustible solido (2) sobre un cenicero (5), los gases de la combustion del combustible solido (2) ascienden a traves del hogar (1) y se mezclan con un flujo de aire secundario (7) que se introduce en el hogar (1), el extremo superior del hogar (1) posee comunicacion fluida con un sistema intercambiador de calor (6), en donde es aprovechado el contenido energetico de los gases de escape de la combustion, caracterizada por que el hogar (1) esta dividido en dos secciones, una section inferior (1.1), en donde se consigue una combustion parcial del combustible solido (2), y una seccion superior (1.2), en donde se completa la combustion de los gases generados en la seccion inferior (1.1); dicha seccion inferior (1.1) parte desde la cara superior de la parrilla (4) aumentando su seccion transversal en forma de un primer cono invertido (1.1.1), seguido de un primer tramo recto (1.1.2) cuyo diametro es igual al diametro mayor del primer cono invertido (1.1.1), y terminado en un tramo conico (1.1.3); la seccion superior (1.2) parte de un segundo cono invertido (1.2.1) con un diametro menor igual o menor que el diametro menor del tramo conico (1.1.3) de la seccion inferior (1.1), seguido de un segundo tramo recto (1.2.2), cuyo diametro es igual al diametro mayor del segundo cono invertido (1.2.1); entre la seccion inferior (1.1) y la seccion superior (1.2) del hogar (1) esta dispuesto un estrechamiento en forma de un tercer tramo recto (1.3), cuyo diametro es igual o menor que el diametro menor del tramo conico (1.1.3) de la seccion inferior (1.1).
- 2. - Caldera vertical de combustible solido segun la reivindicacion 1 en la que el flujo de aire secundario (7) se aporta a traves del tercer tramo recto (1.3).
- 3. - Caldera vertical de combustible solido segun las reivindicacion 2 en la que en la pared interior del tercer tramo recto (1.3) esta dispuesto un labrado en forma de voluta que acelera y favorece la mezcla entre los gases generados en la seccion inferior (1.1) y el flujo de aire secundario (7), mediante un movimiento en espiral.
- 4. - Caldera vertical de combustible solido segun la reivindicacion 2 en la que el flujo de aire secundario (7) es regulado por una sonda lambda (8), que actua sobre la velocidad de un ventilador (9) que inyecta el flujo de aire secundario (7) en el hogar (1), segun la concentration de oxlgeno medida en los gases de escape.
- 5. - Caldera vertical de combustible solido segun la reivindicacion 1 en la que la parrilla (4) desarrolla un movimiento circular, que permite evitar la acumulacion de cenizas sobre la misma, asl como homogeneizar el lecho.
- 6. - Caldera vertical de combustible solido segun las reivindicaciones 1 o 5 en la que debajo de la parrilla (4) esta dispuesto un tornillo sinfln (10) que permite la evacuation de las cenizas hacia el cenicero (5).
- 7. - Caldera vertical de combustible solido segun la reivindicacion 1 en la que el combustible solido (2) se introduce en el hogar (1) a traves de un dosificador (11) dispuesto en comunicacion fluida con el tramo conico (1.1.3) de la seccion inferior (1.1).
- 8. - Caldera vertical de combustible solido segun la reivindicacion 7 en la que el dosificador (11) esta provisto de una valvula rotativa (12).510152025
- 9. - Caldera vertical de combustible solido segun la reivindicacion 1 en la que la seccion inferior(1.1) , la seccion superior (1.2) y el tercer tramo recto (1.3) del hogar (1) estan recubiertos con un material refractario (19).
- 10. - Caldera vertical de combustible solido segun las reivindicaciones 1 o 9 en la que la seccion inferior (1.1), la seccion superior (1.2) y el tercer tramo recto (1.3) del hogar (1) estan envueltos en una camisa de agua (14) que minimiza las perdidas termicas de los gases de la combustion.
- 11. - Caldera vertical de combustible solido segun la reivindicacion 1 en la que el sistema intercambiador de calor (6) comprende, dispuestos en serie, un intercambiador de calor en cascada (6.1) seguido de un intercambiador de calor tubular (6.2).
- 12. - Caldera vertical de combustible solido segun la reivindicacion 11 en la que el intercambiador de calor en cascada (6.1) incluye en su parte inferior un cenicero (6.1.1), en donde decantan las partlculas arrastradas en los gases de la combustion.
- 13. - Caldera vertical de combustible solido segun la reivindicacion 12 en la que el cenicero(6.1.1) del intercambiador de calor en cascada (6.1) esta cubierto por una camisa de agua(6.1.2) .
- 14. - Caldera vertical de combustible solido segun las reivindicaciones 4 y 11 en la que a la salida del intercambiador de calor tubular (6.2), despues de la sonda lambda (8), esta dispuesto al menos un ventilador extractor (15) que garantiza la circulation de los gases de la combustion a traves del hogar (1) y el sistema intercambiador de calor (6).
- 15. -Caldera vertical de combustible solido segun la reivindicacion 1 en la que el combustible solido (2) empleado es biomasa.
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