ES2621293T3 - Condensador para caldera de condensación con doble retorno - Google Patents

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ES2621293T3 ES14164667.9T ES14164667T ES2621293T3 ES 2621293 T3 ES2621293 T3 ES 2621293T3 ES 14164667 T ES14164667 T ES 14164667T ES 2621293 T3 ES2621293 T3 ES 2621293T3
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Abstract

Caldera de condensación que comprende al menos un retorno de agua a baja temperatura (RBT), al menos un retorno de agua a alta temperatura (RHT), y un dispositivo de intercambio (100) de calor que comprende * un intercambiador (1) térmico, y * un condensador (4) que comprende una caja de agua inferior (8), una caja de agua superior (12), y unos tubos (6) que permiten la circulación del agua, comprendiendo cada tubo (6): - un extremo inferior que desemboca en la caja de agua inferior (8), y - un extremo superior que desemboca en la caja de agua superior (12), estando dicha caldera caracterizada por que, comprendiendo la caja de agua superior (12) una abertura de entrada (9) unida fluídicamente al retorno de agua a alta temperatura (RHT) y una abertura de salida (14) unida fluídicamente a una entrada de agua (2) del intercambiador térmico (1) de la caldera, la caja de agua inferior (8) está unida fluídicamente al retorno de agua a baja temperatura (RBT).

Description

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DESCRIPCION
Condensador para caldera de condensacion con doble retorno
La invencion se refiere a una caldera de condensacion con doble retorno, a saber una caldera que comprende un retorno de agua a baja temperature y un retorno de agua a alta temperature.
Las calderas de condensacion con doble retorno conocidas, comunmente denominadas calderas de “tres tomas” realizan un intercambio termico entre un fluido termoportador, que se designara de manera generica en el presente documento como “agua”, tal como agua o una mezcla de agua y de etilenglicol, que circula en un circuito, y los humos producidos por la combustion de un combustible solido, lfquido o gaseoso en el quemador de la caldera. Con el fin de optimizar los rendimientos de tal caldera, el intercambiador de calor comprende dos partes que permiten disociar el circuito de los retornos de agua segun su temperatura (retorno de agua a baja temperatura RBT y retorno de agua a alta temperatura RHT). La primera parte del intercambiador, que corresponde a un intercambio principal, esta situada aguas arriba de la circulacion de los humos, y por lo tanto recupera la mayor parte de la energfa calonfica de los humos. Despues de esta primera etapa de intercambio, los humos se enfnan significativamente, pero pueden permitir una segunda etapa de intercambio termico en la segunda parte del intercambiador que corresponde a un condensador. Para este proposito, el retorno de agua a baja temperatura RBT se utiliza en la segunda parte para proseguir el intercambio termico y condensar el vapor de agua contenido en los humos. En efecto, en presencia de retorno de agua a baja temperatura, el condensador se irriga y el agua que circula en este recupera las calonas y condensa el vapor de agua de los humos. El agua recalentada se arrastra por el flujo hacia la abertura de salida del condensador, en la que se completara su calentamiento en la primera etapa de intercambio.
Por ejemplo, el documento EP2093503 describe una caldera de triple toma que comprende un retorno de agua a baja temperatura unida a una caja de agua inferior de un condensador y un retorno de agua a alta temperatura unida a una caja de agua superior. El condensador comprende ademas unos tubos cuyo extremo inferior desemboca en la caja de agua inferior y cuyo extremo superior de los tubos desemboca en la caja de agua superior.
Pero uno de los inconvenientes de tal intercambiador de calor reside en que la ausencia de retorno de agua a baja temperatura, por ejemplo en verano, cuando el circuito de calentamiento se detiene, el agua del circuito a baja temperatura se estanca en la segunda parte del intercambiador. Ahora bien, cuando la caldera funciona, por ejemplo para la produccion de agua caliente sanitaria, los humos que intercambian con este agua estancada pueden presentar una temperatura tal que el agua puede entrar en ebullicion. Existe entonces un riesgo de sobrecalentamiento en el condensador que puede ser asf danado de manera irreversible por tensiones termicas o por incrustaciones.
Una solucion conocida consiste en insertar una derivacion permanente entre el circuito con retorno de agua a baja temperatura RBT y el circuito con retorno de agua a alta temperatura RHT aguas arribas de la conexion con el condensador. Pero la condensacion es limitada y los rendimientos del intercambiador de calor se reducen. Se podna utilizar una valvula en el lugar de la derivacion, pero necesita la intervencion del operador o ser automatizada, lo que aumenta singularmente el coste del intercambiador de calor.
Uno de los objetivos de la presente invencion pretende paliar al menos un inconveniente antes citado. Para este fin, la invencion propone una caldera de condensacion que comprende al menos un retorno de agua a baja temperatura RBT, al menos un retorno de agua a alta temperatura RHT y un dispositivo de intercambio de calor que comprende
* un intercambiador termico, y
* un condensador que comprende una caja de agua inferior, una caja de agua, y unos tubos que permiten la circulacion del agua, comprendiendo cada tubo:
- un extremo inferior que desemboca en la caja a agua inferior, estando dicha caja de agua inferior unida flmdicamente al retorno de agua a baja temperatura RBT, y
- un extremo superior que desemboca en la caja de agua superior, comprendiendo dicha caja de agua superior una abertura de entrada unida flmdicamente al retorno de agua a alta temperatura RHT y una abertura de salida unida flmdicamente a una entrada de agua del intercambiador termico de la caldera.
Esta disposicion permite, durante el funcionamiento de la caldera sin retorno de agua a baja temperatura, crear una conveccion natural del agua de los tubos calentada con los humos, hacia los extremos superiores de los tubos con el fin de desembocar en la caja de agua superior.
Asf, la caldera esta configurada de tal manera que el agua que proviene del retorno de agua a alta temperatura y que circula en la caja de agua superior entre la abertura de entrada y la abertura de salida, arrastra el agua que proviene de los extremos superiores de los tubos.
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A la inversa, una parte del agua de retorno RHT, que es mas fna que el agua de los tubos que ha sido calentada en la segunda etapa de intercambio, sigue un movimiento descendente hacia los extremos inferiores de los tubos. Este movimiento, unido a una diferencia de temperatura entre el agua de RHT y el agua contenida en los tubos, permite asegurar una circulacion de agua en estos ultimos, incluso cuando no se alimenta el retorno del agua a baja temperatura. Asf, se establece un fenomeno de circulacion natural continuo en el condensador cuando el agua del circuito de alta temperatura es mas fna que el agua contenida en los tubos. Esta circulacion previene entonces los riesgos de sobrecalentamiento en el condensador y limita su incrustacion.
Ventajosamente, la abertura de entrada y la abertura de salida estan dispuestas respectivamente en una primera pared lateral y una segunda pared lateral de la caja de agua superior, estando la segunda pared lateral opuesta y paralela a la primera pared lateral y estando la abertura de entrada y de salida dispuestas de manera que el eje normal de la abertura de entrada sea paralelo al eje normal de la abertura de salida. Esta disposicion de las aberturas permite un movimiento regular del agua, que barre asf de manera homogenea la caja de agua superior.
Preferentemente, la abertura de salida presenta unas dimensiones mas elevadas que las de la abertura de entrada. Esto permite facilitar el flujo del agua y evitar la formacion de zonas de sobrepresion en la caja de agua superior. Asf, la presente invencion permite tambien un funcionamiento optimo cuando el retorno de agua a baja temperatura irrigue el condensador, ya que estas dimensiones, conjuntamente con el posicionamiento de la abertura de entrada y la abertura de salida en frente la una de la otra, evitan la formacion de un efecto de termosifon con el agua que llega del retorno a RHT, y por lo tanto garantiza una temperatura de agua mas baja en el condensador, lo que favorece la condensacion.
Preferentemente, el eje longitudinal de cada tubo se extiende con una inclinacion comprendida entre 15° y 90° con respecto a la horizontal. Asf, se mejora el fenomeno de conveccion que arrastra los movimientos ascendente y descendente del agua en los tubos. Por otro lado, esta inclinacion permite alinear el retorno de agua a alta temperatura, la abertura de entrada y la abertura de salida sin bloquear la salida y la recuperacion de los humos subyacentes. Se mejora entonces el barrido del agua y al simplificarse el condensador, es menos costoso de fabricar.
Preferentemente, la caldera de condensacion comprende un quemador y el condensador esta dispuesto aguas abajo del intercambiador termico con respecto al sentido de flujo de los humos generados en el quemador de dicha caldera.
Dicho de otra manera, la caldera de condensacion comprende un quemador que genera unos humos que atraviesan la caldera en una direccion de flujo que va del intercambiador termico hacia el condensador.
Ventajosamente, el eje longitudinal de cada tubo se extiende transversalmente a la direccion de flujo de los humos (eje x). Esta configuracion permite alcanzar una compacidad optima del dispositivo de intercambio.
Preferentemente, la abertura de salida de agua esta dispuesta en la parte superior del intercambiador. Esto favorece el movimiento del agua que proviene de los tubos, que de este modo se calienta, hacia el intercambiador. El calor del agua de los tubos se transmite asf de manera totalmente pasiva en forma de energfa termica al intercambiador, que es por lo tanto mas economico.
Asf, esta configuracion de caldera es no solamente economica debido a la energfa recuperada por la circulacion del agua en el condensador en ausencia de agua de retorno RBT, sino que permite tambien evitar el dano del condensador por un sistema completamente pasivo basado en un fenomeno de conveccion natural.
Otros aspectos, objetivos y ventajas de la presente invencion apareceran mejor a partir de la lectura de la descripcion siguiente de un modo de realizacion de esta, dada a tftulo de ejemplo no limitativo y realizada en referencia a los dibujos anexos. Las figuras no respetan necesariamente la escala de todos los elementos representados, con el fin de mejorar su legibilidad. A continuacion en la descripcion, para mas simplificacion, los elementos identicos, similares o equivalentes de las diferentes formas de realizacion llevan las mismas referencias numericas.
La figura 1 ilustra una vista esquematica perforada en perspectiva de un condensador y de un intercambiador de una caldera segun un modo de realizacion de la invencion.
La figura 2 ilustra una vista esquematica perforada, parcial de una caldera dotada de un dispositivo de intercambio de calor segun una variante de realizacion de la invencion.
La figura 3 ilustra una vista esquematica de una cara lateral de un dispositivo de intercambio de una caldera segun esta variante de realizacion de la invencion.
La figura 1 ilustra un dispositivo de intercambio 100 termico, en una caldera de condensacion de doble retorno, es decir una caldera que comprende un retorno de agua a alta temperatura RHT y un retorno de agua a baja
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temperatura RBT. Este dispositivo de intercambio 100 permite un intercambio termico entre los humos generados por un quemador de la caldera y agua que circula en el dispositivo de intercambio 100. El dispositivo de intercambio 100 de la invencion esta dividido en dos partes. En una primera parte, el dispositivo de intercambio 100 comprende un intercambiador 1 que presenta un primer circuito de intercambio que comprende una abertura de entrada de agua 2 en la parte superior del intercambio 1 y una conexion unida a la salida de agua 3 de la caldera. En la segunda parte, el dispositivo 100 comprende un condensador 4 que comprende un segundo circuito de agua; estando el segundo circuito de agua conectado a la abertura de entrada de agua 2 del primer circuito de intercambio y estando conectado a las canalizaciones del retorno de agua a baja temperatura RBT y de retorno de agua a alta temperatura RHT.
En esta configuracion del dispositivo de intercambio 100, el intercambiador 1 esta aguas arriba del condensador 4 con respecto al sentido de flujo de los humos (eje x en la figura 1). El intercambiador 1 recibe entonces los humos mas calientes, lo que permite una primera etapa de intercambio termico con el primer circuito de intercambio. El condensador 4 aguas abajo permite la segunda etapa de intercambio termico entre los humos, significativamente enfriados durante la primera etapa de intercambio, y el agua del segundo circuito de intercambio por enfriamiento de los humos y condensacion del vapor de agua contenido en los humos.
Como se ha ilustrado en la figura 1, el segundo circuito de intercambio del condensador 4 comprende unos tubos 6 adecuados para la circulacion del agua, que proviene en particular de RBT. Durante el funcionamiento de la caldera, el agua de los tubos 6 mas alejados del intercambiador 1 (o hacia el extremo trasero del dispositivo de intercambio 100) es mas fna que el agua de los tubos 6 mas proximos al intercambiador 1 debido a la direccion de circulacion de los humos.
El extremo inferior de los tubos 6 desemboca en una caja de agua inferior 8. La caja de agua inferior 8 presenta una abertura conectada flmdicamente a un retorno de agua a baja temperatura de la caldera por una primera conexion 11.
Los extremos superiores de los tubos 6 desembocan en una caja de agua superior 12. La caja de agua superior 12 presenta una primera pared lateral 5 y una segunda pared lateral 7 opuesta y paralela a la primera pared 5. Una abertura de entrada 9 de la caja a agua superior 12 esta dispuesta en la primera pared 5. Esta abertura de entrada 9 esta unida flmdicamente al retorno de agua a alta temperatura RHT a traves de una segunda union 13. Una abertura de salida 14 de la caja de agua superior 12 esta dispuesta en la segunda pared 7. La abertura de salida 14 esta unidad flmdicamente a la entrada de agua 2 del primer circuito de intercambio del intercambiador 1 a traves de una tercera union 15. Las aberturas de entrada 9 y de salida 14 estan dispuestas con el fin de estar en frente la una de la otra, es decir que los ejes normales de las aberturas de entrada 9 y de salida 14 se confunde sustancialmente. Las dimensiones de la abertura de salida 14 son mas elevadas que las de la abertura de entrada 9. Asf, el flujo de agua que proviene de la abertura de entrada 9 y que se dirigen hacia la abertura de salida 14 barre la caja de agua 12 de un lado al otro. Este barrido puede entonces arrastrar el agua que proviene del extremo superior de los tubos 6, en la misma direccion.
En referencia a la figura 1, los tubos 6 estan sustancialmente en la vertical, con el fin de favorecer la conveccion termica, creando unos movimientos ascendente y descendente del agua. Segun una variante de realizacion ilustrada en las figuras 2 y 3, el eje longitudinal de cada tubo 6 puede extenderse con una inclinacion comprendida entre 15° y 90° con respecto a la horizontal. Por otro lado, el eje longitudinal de cada tubo 6 se extiende perpendicularmente a la direccion de flujo de los humos (eje x). Esta configuracion permite alinear el retorno de agua RHT con la abertura de entrada 9 y la abertura de salida 14 sin bloquear la salida y la recuperacion de los humos de combustion por la boquilla 16. Asf, el numero de piezas del condensador 4 se reduce y la compacidad del dispositivo de intercambio 100 es optima.
Durante el funcionamiento de la caldera por ejemplo, el agua caliente que sale de la salida de agua 3 alimenta dos circuitos principales: un primer circuito de alta temperatura, cuya agua vuelve a la caldera a alta temperatura, por ejemplo 55°C, a traves del retorno de agua a alta temperatura RHT, y un segundo circuito baja temperatura, cuya agua vuelve a la caldera a aproximadamente 30°C por el retorno de agua a RBT.
El retorno de agua a baja temperatura RBT permite entonces realizar la segunda etapa de intercambio termico enfriando y condensando el vapor de agua de los humos. En efecto, el agua a baja temperatura penetra en el condensador 4 por la caja de agua inferior 8, circula en un movimiento ascendente en los tubos 6 realizando la segunda etapa de intercambio termico con los humos. Despues, el agua atraviesa la caja de agua superior 12 para volver hacia la entrada de agua 2 del intercambiador 1 en el que se calentara para ser de nuevo utilizada.
Cuando el funcionamiento de la caldera se limita a la produccion de agua caliente sanitaria, en verano particularmente, no hay caudal de irrigacion en el segundo circuito de intercambio a baja temperatura. El agua en los tubos 6, situados aguas arriba, en el sentido de flujo de los humos, se calienta enfriando los humos, esto genera un movimiento ascendente, bajo el efecto de la conveccion natural. El barrido de la porcion de la caja de agua 12 en la que desembocan los extremos superiores de los tubos 6 asegura entonces la recuperacion de las calonas de la circulacion del agua que proviene de los tubos 6. Al mismo tiempo, el agua que proviene de RHT es arrastrada en un
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movimiento descendente en los tubos 6 situados mas aguas abajo en el sentido de flujo de los humos, por compensacion. Estos movimientos ascendentes y descendentes en los tubos 6 permiten mantener la circulacion del agua en el condensador 4 con el fin de efectuar la segunda etapa de intercambio termico. El funcionamiento del condensador 4 esta entonces optimizado, ya que recupera la energfa incluso en ausencia de retorno RBT y se eliminan los riesgos de sobrecalentamiento.
Se estudia el caso de una instalacion de calefaccion compuesta de una caldera de condensacion que funciona con gas, de un circuito de calentamiento por radiador y de una produccion de agua caliente sanitaria. La produccion de agua caliente sanitaria necesita generalmente un regimen de funcionamiento 80/60, es decir un suministro de agua a 80°C, y un retorno de agua a alta temperatura RHT a 60°C.
En estas condiciones, los humos procedentes de la combustion presentan una temperatura comprendida entre aproximadamente 130 y 140°C a la salida del intercambiador 1 y a plena carga, el intercambiador 1 termico presenta un rendimiento de aproximadamente el 94%.
En ausencia de retorno de agua a baja temperatura (circuito de calentamiento en parada), y gracias al barrido de la caja de agua superior 12 del condensador 4, el agua contenida en los tubos 6 se mantiene a aproximadamente 60- 70°C, los humos procedentes de la combustion se enfnan entonces a aproximadamente 70-80°C. El rendimiento total que comprende el rendimiento del intercambiador 1 y el del condensador 4 es entonces de aproximadamente el 97%. El aumento de rendimiento relacionado con la recuperacion de energfa del condensador 4 y recogido gracias al barrido es por lo tanto de aproximadamente el 3%.
Asf, la presente invencion aporta una mejora determinante del estado de la tecnica anterior proponiendo un dispositivo de intercambio 100 que comprende un condensador 4 que permite enfriar los humos, incluso en ausencia de utilizacion del circuito a baja temperatura por una disposicion que permite la implementacion de un fenomeno de conveccion natural eficaz. Se eliminan entonces los riesgos de sobrecalentamiento del condensador 4 y son funcionamiento se optimiza.
Por supuesto, la invencion no esta limitada a los modos de realizacion descritos anteriormente a tftulo de ejemplos, sino que comprende todos los equivalentes tecnicos y las variantes de los medios descritos asf como sus combinaciones.

Claims (7)

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    REIVINDICACIONES
    1. Caldera de condensacion que comprende al menos un retorno de agua a baja temperatura (RBT), al menos un retorno de agua a alta temperatura (RHT), y un dispositivo de intercambio (100) de calor que comprende
    * un intercambiador (1) termico, y
    * un condensador (4) que comprende una caja de agua inferior (8), una caja de agua superior (12), y unos tubos (6) que permiten la circulacion del agua, comprendiendo cada tubo (6):
    - un extremo inferior que desemboca en la caja de agua inferior (8), y
    - un extremo superior que desemboca en la caja de agua superior (12),
    estando dicha caldera caracterizada por que, comprendiendo la caja de agua superior (12) una abertura de entrada (9) unida flmdicamente al retorno de agua a alta temperatura (RHT) y una abertura de salida (14) unida flmdicamente a una entrada de agua (2) del intercambiador termico (1) de la caldera, la caja de agua inferior (8) esta unida flmdicamente al retorno de agua a baja temperatura (RBT).
  2. 2. Caldera de condensacion segun la reivindicacion 1, caracterizada por que la abertura de entrada (9) y la abertura de salida (14) estan dispuestas respectivamente en una primera pared (5) lateral y una segunda pared (7) lateral de la caja de agua superior (12), estando la segunda pared (7) lateral opuesta y paralela a la primera pared (5) lateral y estando la abertura de entrada (9) y la abertura de salida (14) dispuestas de manera que el eje normal de la abertura de entrada (9) se confunda sustancialmente con el eje normal de la abertura de salida (14).
  3. 3. Caldera de condensacion segun una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizada por que la abertura de salida (14) presenta unas dimensiones mas elevadas que las de la abertura de entrada (9).
  4. 4. Caldera de condensacion segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que el eje longitudinal de cada tubo (6) se extiende con una inclinacion comprendida entre 15° y 90° con respecto a la horizontal.
  5. 5. Caldera de condensacion segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por que comprende un quemador, configurado para generar unos humos, estando el condensador (4) dispuesto de manera que los humos fluyan en una direccion de flujo que va del intercambiador (1) hacia el condensador (4).
  6. 6. Caldera de condensacion segun la reivindicacion 5, caracterizada por que el eje longitudinal de cada tubo (6) se extiende transversalmente a la direccion de flujo de los humos que va del intercambiador (1) hacia el condensador (4).
  7. 7. Caldera de condensacion segun una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por que la entrada de agua (2) del intercambiador (1) termico esta dispuesta en la parte superior del intercambiador (1).
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