ES2626840T3 - Método y dispositivo para proteger tubos intercambiadores de calor - Google Patents

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Abstract

Método para proteger tubos intercambiadores de calor (10) en sistemas de calderas (1) con al menos un tubo intercambiador de calor (10) rodeado de un componente cerámico (6) al que se le aplica una corriente de gas de combustión por al menos dos lados opuestos, en donde se suministra gas a un espacio (48, 49, 50) adyacente al tubo intercambiador de calor (10) y al componente, en donde el gas se suministra mediante un tubo de gas (13) incorporado en el componente cerámico (6).

Description

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Metodo y dispositivo para proteger tubos intercambiadores de calor
La invencion se refiere a un metodo para proteger tubos intercambiadores de calor en sistemas de calderas con al menos un tubo intercambiador de calor rodeado de un componente ceramico, al cual se le aplica una corriente de gas de combustion por al menos dos lados opuestos, en donde se suministra gas a un espacio adyacente al tubo intercambiador de calor y al componente. Ademas, la invencion se refiere a un dispositivo con un tubo intercambiador de calor, cuya superficie periferica esta rodeada de al menos un componente ceramico, y con un suministro de gas a un espacio adyacente al tubo intercambiador de calor y al componente ceramico. En los sistemas de calderas, los tubos intercambiadores de calor sirven, en parte, para evaporar el agua y, en parte, para sobrecalentar el agua evaporada. Las temperaturas en los tubos intercambiadores de calor de los sistemas de calderas mas grandes con una turbina aguas abajo deben ser lo mas altas posible, puesto que la eficacia de la turbina aguas abajo aumenta a medida que asciende la temperatura.
Particularmente, en los hornos de combustion para quemar combustibles solidos, como por ejemplo, los sistemas de combustion de residuos y biomasa, existe el problema de que los tubos intercambiadores de calor se corroan. Numerosas investigaciones han demostrado que esta corrosion es provocada por capas adheridas de cenizas y sales. Los compuestos gaseosos en el gas de combustion, como por ejemplo, el HCl y el SO2, influyen en la formacion de estas capas, pero no provocan directamente la corrosion en estos componentes.
En los sistemas de combustion de residuos y biomasa se observan tasas de corrosion de hasta un milfmetro por 1000 horas.
Como medida de proteccion frente a la corrosion se emplean revestimientos ceramicos y recubrimientos metalicos que se aplican mediante deposicion directa con laser, o bien mediante proyeccion termica.
DE 699 07 604 T2 describe un metodo en el que se instalan componentes ceramicos como proteccion frente a la corrosion en tubos con sobrecalentamiento.
DE 38 23 439 C2 describe un elemento de proteccion ceramico acabado sinterizado formado por semicascaras encajadas entre si. En la practica, no se ha demostrado que estas cascaras, preferentemente hechas de carburo de silicio, sean utiles, puesto que el material necesario se tendrfa que hacer relativamente grueso y pesado para resistir el esfuerzo. El elemento de proteccion se rellena de mortero. Puesto que el encaje no permitfa ninguna dilatacion termica, a las altas temperaturas de funcionamiento se produjo una fisuracion hasta llegar a un desprendimiento de las cascaras.
DE 20 2008 006 044 U1 describe otra cubierta de proteccion ceramica de semicascaras solapadas de carburo de silicio.
Los revestimientos ceramicos en las paredes, como se describen, por ejemplo, en DE 198 16 059 A1 y en EP 0 981 015 A1, han demostrado que son utiles en las paredes de las camaras de combustion. Por el contrario, el uso de cascaras de proteccion ceramicas para tubos intercambiadores de calor a los que se aplica gas de combustion por todos los lados no es factible, particularmente, en el area de sobrecalentamiento. Junto con la carga estatica de la construccion de acero, los tubos intercambiadores de calor estan sujetos a cargas mecanicas durante la limpieza en el area de sobrecalentamiento.
Los dispositivos de golpeo, que actuan de forma mecanica sobre los tubos en el area de sobrecalentamiento para eliminar las capas, estan muy extendidos. Tambien se intentan eliminar las capas con eyectores de agua y de vapor. Con ello se producen cargas qufmicas adicionales. Estas cargas limitan en gran medida las posibilidades de uso de los revestimientos ceramicos como medida de proteccion frente a la corrosion en el area de sobrecalentamiento.
En los canales de tiro de radiacion, las deposiciones directas con laser han demostrado ser utiles como proteccion eficaz frente a la corrosion. Como material de deposicion se ha impuesto el material 2.4858 (Inconel 625).
No obstante, las temperaturas de material por encima de los 400 °C, como se producen en el margen de sobrecalentamiento y en el margen de evaporacion a altas presiones de funcionamiento, limitan significativamente la proteccion frente a la corrosion de este material. El uso de otros materiales de aporte para la soldadura, como por ejemplo, el 2.4606 (Inconel 686), tampoco ofrece mejoras significativas respecto a los otros materiales de aporte para la soldadura.
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Cada vez se usan con mayor frecuencia los metodos de proyeccion termica como medida para la proteccion frente a la corrosion. Los experimented con distintas composiciones de material como capa de proteccion frente a la corrosion en distintos componentes de calderas han demostrado que las capas de proteccion de este tipo pueden fallar en poco tiempo de forma impredecible. Por ello, con las capas de proteccion con proyeccion termica de este tipo tampoco es posible una proteccion frente a la corrosion a largo plazo y operativamente fiable.
La proteccion frente a la corrosion influye en la eficacia del generador de vapor. La mayorfa de los sistemas de combustion de residuos y biogas se ponen en funcionamiento solo con temperaturas de vapor de 400 °C a 40 bar para limitar la corrosion. Aumentar los parametros de vapor conlleva un claro aumento de las tasas de corrosion en los tubos de la caldera y, con ello, una reduccion de la disponibilidad del sistema. Las medidas de proteccion frente a la corrosion conocidas no han podido ofrecer mejoras satisfactorias en este ambito.
GB 2 263 330 A describe un metodo de este tipo en el que se dispone otro tubo de metal alrededor de un tubo intercambiador de calor en un area del sobrecalentador especialmente sometida a esfuerzos, que se destruye durante el funcionamiento del sistema y, con ello, protege el tubo situado debajo durante un tiempo determinado. La destruccion de este tubo de cubierta provoca una proteccion temporal muy limitada, y la fijacion del tubo de cubierta al tubo intercambiador de calor provoca un debilitamiento del tubo intercambiador de calor, que tiende especialmente a corroerse precisamente en el area de estos puntos de fijacion.
Por ello, la invencion se basa en la tarea de reducir notablemente la corrosion en tubos intercambiadores de calor en sistemas de calderas de vapor incluso a temperaturas muy por encima de los 400 °C.
Esta tarea se resuelve con un metodo generico para proteger tubos intercambiadores de calor en sistemas de calderas segun la reivindicacion 1, en donde el gas se suministra mediante un tubo de gas incorporado en el componente ceramico. Asf pues, en el marco de la invencion, se debe entender por gas un fluido en forma gaseosa, un fluido lfquido y cualquier fluido en un estado de agregacion situado entre los mismos, asf como distintos tipos de vapor.
La invencion se basa en el descubrimiento de que tambien se pueden proteger de forma eficaz los tubos intercambiadores de calor situados libremente en la camara de combustion y, preferentemente, colgados del techo de la camara de combustion con componentes ceramicos si se suministra un gas entre el tubo intercambiador de calor y el elemento ceramico.
Los tubos intercambiadores de calor que cuelgan libremente en el canal de tiro de gas de combustion solo son accesibles por un extremo. Cuando se suministra un gas a un area entre el tubo intercambiador de calor y el elemento ceramico, existe el peligro de que este gas llegue inmediatamente a la camara de combustion a traves de los primeros intersticios entre los elementos ceramicos y, en consecuencia, no ejerza una proteccion eficaz de todos los tubos intercambiadores de calor. Por ello, solo se aplica el suministro de gas a los tubos intercambiadores de calor en paredes de membrana de los sistemas de calderas, puesto que, en ellas, el gas se puede transportar de forma sencilla a todas las areas de los tubos intercambiadores de calor y, particularmente, a las areas especialmente sometidas a cargas termicas.
Las areas especialmente sometidas a cargas termicas de los tubos intercambiadores de calor dispuestos dentro de una caldera estan muy separadas de las paredes de membrana y, por ello, son diffciles de alcanzar por el gas suministrado. Ademas, si hay demasiado gas suministrado en la camara de combustion o en los canales de tiro del gas de combustion se afecta a la eficacia del sistema.
No obstante, se ha demostrado que, a una presion adecuada y con una configuracion adecuada de los elementos ceramicos, se puede transportar a las areas sometidas a mayores cargas termicas de los tubos intercambiadores de calor un gas que ejerza una proteccion dentro de un intersticio entre el tubo intercambiador de calor y el elemento ceramico del tubo intercambiador de calor haciendo que una sobrepresion mas baja en el gas fluido impida una entrada de gases de combustion a los tubos intercambiadores de calor mediante el componente ceramico.
El espacio puede estar formado por distintos componentes. Preferentemente, solo esta formado por el tubo intercambiador de calor y el componente ceramico.
Resulta especialmente ventajoso que el gas se suministre en el punto mas caliente entre el tubo intercambiador de calor y el elemento ceramico. Ello provoca que la mayor presion del gas se encuentre en el lugar en el que el tubo intercambiador de calor este especialmente sometido a cargas termicas. Segun la construccion del sistema de caldera, tambien puede resultar ventajoso suministrar el gas en el punto con la mayor presion del gas de combustion, es decir, con la mayor contrapresion en el elemento ceramico.
El componente ceramico se podrfa configurar de forma que el gas suministrado se gufe en el componente ceramico. No obstante, puesto que el componente ceramico suele estar compuesto de varios elementos ceramicos, existe el
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peligro de que el gas suministrado se escape antes de tiempo entre los elementos ceramicos y, por ello, no se pueda aplicar el gas a todas las areas del tubo intercambiador de calor. Colocar un mortero, preferentemente entre los elementos ceramicos uniendolos, tampoco suele poder impedir un escape del gas.
Por ello, el gas se introduce a traves de un tubo incorporado en el componente ceramico. Este tubo puede ser de ceramica y, por ejemplo, tambien estar formado por varios elementos de tubo. No obstante, este tubo es preferentemente un tubo metalico. Puesto que este tubo se incorpora en el componente ceramico y el interior del tubo se enfrfa mediante el gas suministrado, el gas se puede transportar al punto sometido a la mayor carga termica de un tubo intercambiador de calor en un tubo metalico. Desde allf, se puede distribuir el gas, y el gas tambien actua en ese caso como proteccion para los tubos intercambiadores de calor cuando el componente ceramico forma una cubierta gruesa. Preferentemente, este tubo se dispone entre los tubos intercambiadores de calor. Preferentemente, se situa en un punto medio entre un tubo intercambiador de calor de suministro y uno de evacuacion.
El gas suministrado en el punto de la mayor contrapresion al area entre el tubo intercambiador de calor y el elemento ceramico puede fluir por los intersticios entre el tubo intercambiador de calor y el componente ceramico a lo largo de los tubos intercambiadores de calor para evitar una entrada de gas de combustion al tubo intercambiador de calor a lo largo de toda la longitud de los tubos intercambiadores de calor.
Particularmente en el caso de tubos intercambiadores de calor largos, puede resultar ventajoso suministrar el gas en varios puntos. Por ello, se propone que el gas se suministre a traves de varios orificios distanciados a lo largo del tubo intercambiador de calor y dispuestos en un tubo de gas. De esta forma, la distribucion del gas que sirve como aire de purgado puede hacerse a traves de la altura del sobrecalentador de radiacion mediante varios suministros. Esta se puede hacer a traves de orificios o perforaciones entre un canal de suministro de aire intermedio y los tubos de sobrecalentamiento dentro del componente ceramico, que puede estar configurado en forma de paquete de ladrillos moldeados. En caso de que haya un defecto en los componentes ceramicos, se provocarfa un abastecimiento seguro de aire de purgado incluso por encima del punto danado.
La tarea en la que se basa la invencion tambien se resuelve con un dispositivo con un tubo intercambiador de calor segun la reivindicacion 9, cuya superficie periferica esta rodeada de al menos un componente ceramico y un suministro de gas a un espacio adyacente al tubo intercambiador de calor y al componente ceramico, en donde el suministro de gas presenta un tubo de gas incorporado en un componente ceramico.
La invencion se refiere a tubos intercambiadores de calor que no solo estan protegidos con un componente ceramico por un lado, sino cuya superficie periferica esta rodeada de al menos un componente ceramico. De esta forma, el tubo intercambiador de calor esta rodeado y protegido por el componente ceramico en toda la superficie periferica, mientras que el suministro de gas hace que ningun gas de combustion pueda alcanzar el tubo intercambiador de calor a traves de los intersticios del componente ceramico.
Puesto que la superficie periferica del tubo intercambiador de calor esta rodeada del componente ceramico, se propone que el suministro de gas se produzca primero en la direccion de los tubos intercambiadores de calor en el componente ceramico antes de que el gas vuelva a fluir en la direccion longitudinal de los tubos intercambiadores de calor y, de esta forma, forme una presion de gas en los intersticios del componente ceramico que impida una entrada de gas de combustion.
Por ello, el suministro de gas deberfa ser un ventilador. Este ventilador permite ajustar la presion del gas de forma que no llegue demasiado gas a la camara de combustion a traves del componente ceramico y, por otro lado, que se forme una contrapresion a lo largo de toda la longitud de los tubos intercambiadores de calor suficiente para evitar la entrada de gases de combustion a los tubos intercambiadores de calor.
Para evitar esto de forma sencilla, el suministro de gas presenta un tubo de gas incorporado en el componente ceramico. La incorporacion en el componente ceramico sujeta el tubo de gas y permite soportar el tubo de gas mediante la ceramica del componente ceramico.
En muchas aplicaciones, los tubos intercambiadores de calor colgados en la camara de combustion estan arqueados en forma de U para incorporar el agua o el vapor a la camara de combustion y, despues, evacuarlos de la camara de combustion. En una configuracion de este tipo, se propone que el suministro de gas finalice en el area del arco. Ello permite, particularmente, enfriar el area del arco especialmente sometida a esfuerzos con gas recien suministrado y/o, preferiblemente, formar en este punto sometido a esfuerzos una contrapresion que impida una entrada de gases de combustion al tubo intercambiador de calor.
Para garantizar un abastecimiento suficiente de aire de purgado, particularmente incluso ante un defecto en el componente ceramico, se propone que el tubo de gas presente varios orificios distanciados a lo largo del tubo intercambiador de calor. Preferentemente, estos orificios estan distribuidos a lo largo de la altura del sobrecalentador de radiacion o a lo largo del tubo intercambiador de calor.
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Normalmente, el gas suministrado es aire. No obstante, tambien se puede utilizar un gas que favorezca la combustion, como el oxfgeno, o un gas que influya en la combustion. Asf, tambien se puede suministrar como gas, por ejemplo, el gas de combustion recirculado desde un dispositivo de limpieza de gases residuales.
Resulta ventajoso que el componente ceramico presente al menos dos elementos ceramicos en forma de paralelepfpedo con, preferentemente, mas de un 85 % de carburo de silicio, los cuales presenten ondulaciones en forma de arco en su seccion y se fijen el uno al otro con concavidades de ondulacion alineadas entre sf, de forma que se puedan disponer dos porciones de tubo intercambiador de calor en dos concavidades de ondulacion opuestas y se pueda disponer una porcion de tubo de suministro de gas en dos concavidades de ondulacion opuestas entre estas concavidades de ondulacion.
Un componente ceramico de este tipo permite proteger de forma especial porciones de tubos intercambiadores de calor, suministrar un gas y formar una presion de gas entre elementos ceramicos que impida que fluyan gases de combustion a las porciones de los tubos intercambiadores de calor. Asf pues, el componente ceramico se construye preferentemente de manera que se evite un contacto entre el tubo intercambiador de calor y el elemento ceramico.
Se representan el metodo y una forma de realizacion ventajosa, asf como un elemento ceramico en el dibujo y se describen a continuacion. En este muestran
la Figura 1, el primer canal de tiro de un sistema de caldera con serpentines de sobrecalentamiento que cuelgan del techo,
la Figura 2, una seccion a traves del canal de tiro en la Figura 1 a lo largo de la lmea AA,
la Figura 3, una representacion esquematica aumentada de los tubos intercambiadores de calor con elementos
ceramicos,
la Figura 4, una seccion a traves de un elemento ceramico para un tubo arqueado y
la Figura 5, una seccion a traves de un elemento ceramico para tubos rectos.
El sistema de caldera 1 mostrado en la Figura 1 esta formado por una rejilla 2, una camara de combustion 3 y un serpentm de sobrecalentamiento 5 colgado en el techo 4. El serpentm de sobrecalentamiento 5 esta rodeado de un componente ceramico 6 formado por varios elementos ceramicos 7 que se unen entre sf mediante un mortero. El componente ceramico 6 se une a un ventilador 9 mediante un conducto 8, y los tubos intercambiadores de calor 10 del serpentm de sobrecalentamiento 5 se unen a un sistema de caldera 11.
Ello permite suministrar, a traves de los canales 12, aire desde el ventilador 9 y los tubos de gas 13 entre los tubos intercambiadores de calor 10 y el componente ceramico 6. Puesto que el componente ceramico 6 esta formado por varios elementos ceramicos 7 que se adaptan entre sf de forma separada y, a menudo, el mortero entre los mismos no supone ningun sellado fijo, en caso de fuga, el aire puede fluir al canal de tiro de gas de combustion 14 a traves del componente ceramico 6 y, de esa forma, evitar que el gas de combustion alcance los tubos intercambiadores de calor 10 desde el canal de tiro de gas de combustion 14.
La Figura 2 muestra el techo 4 del canal de tiro de gas de combustion 14 con el sistema de caldera 11. Preferentemente, el techo 4 se configura de manera que, abriendo facilmente el techo 4 sobre una lmea, se pueden incorporar en el canal de tiro de gas de combustion 14 no solo los tubos intercambiadores de calor 10, sino tambien los tubos de gas 13. En este aspecto, resulta ventajoso que un elemento ceramico 7 del componente ceramico 6 se extienda a traves del techo 4 para garantizar un cubrimiento completo de los tubos intercambiadores de calor 10 dentro del canal de tiro de gas de combustion 14 tambien en el caso de que se produzcan variaciones en la longitud en el area de los tubos intercambiadores de calor 10 y de los elementos ceramicos 7.
El extremo inferior de una parte del serpentm de sobrecalentamiento 5 mostrado en la Figura 3 muestra dos placas en arco 20, 21 y una placa en forma de paralelepfpedo 22. Todas las placas estan formadas, respectivamente, por dos elementos ceramicos 23, 24, 25, 26 y 27, 28. Las placas en forma de arco 20, 21 estan formadas por dos elementos 23, 24 y 25, 26, respectivamente, que se fijan entre sf, respectivamente, mediante una union atornillada 29, 30 y 31, 32, de manera que los elementos ceramicos forman, respectivamente, dos caras opuestas del componente ceramico 6, a las cuales se les puede aplicar una corriente de gas de combustion.
La placa en forma de paralelepfpedo 22 formada por dos elementos ceramicos 27, 28 paralelepfpedos se representa en una posicion abierta que muestra ondulaciones 34 en el interior de los elementos ceramicos 27, 28, las cuales, alineadas entre sf, forman, respectivamente, un espacio en forma de cfrculo 48, 49 para la entrada y la salida del tubo intercambiador de calor 10 en forma de U y forman un espacio 50 para el tubo de gas 13 entre las mismas. Se senala con una lmea de puntos el arco en forma de U del tubo intercambiador de calor 10 y el recorrido del tubo de gas 13. Ello muestra que el tubo de gas 13 del suministro de gas 12 termina con un orificio 36 en el area del arco 35.
La Figura 4 muestra una seccion a traves de la placa en arco 20 con las uniones atornilladas 29 y 30. El interior de los elementos 23 y 24 tiene, respectivamente, dos concavidades de ondulacion 38, 39, para alojar el tubo intercambiador de calor 10 y, entre ellas, dos concavidades de ondulacion 40, 41 para alojar el tubo de gas 13.
5 En una construccion correspondiente, como se muestra en la Figura 5, la placa en forma de paralelepfpedo 22 esta formada por dos elementos ceramicos 27, 28 unidos entre si mediante una union positiva y que presentan en su interior concavidades de ondulacion 42 a 45 para un tubo de gas de combustion 10 y concavidades de ondulacion 46 para un tubo de gas 13.
10 El tubo de gas 13 puede presentar perforaciones 51, 52, 53 distribuidas a lo largo de su longitud para garantizar que, en el caso de un defecto en el componente ceramico, las areas de los tubos intercambiadores de calor que se situan sobre el mismo se sigan limpiando con el gas.

Claims (14)

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    REIVINDICACIONES
    1. Metodo para proteger tubos intercambiadores de calor (10) en sistemas de calderas (1) con al menos un tubo intercambiador de calor (10) rodeado de un componente ceramico (6) al que se le aplica una corriente de gas de combustion por al menos dos lados opuestos, en donde se suministra gas a un espacio (48, 49, 50) adyacente al tubo intercambiador de calor (10) y al componente, en donde el gas se suministra mediante un tubo de gas (13) incorporado en el componente ceramico (6).
  2. 2. Metodo segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el gas se suministra con un ventilador (9).
  3. 3. Metodo segun la reivindicacion 2, caracterizado por que el componente ceramico (6) esta formado por varios elementos ceramicos y el gas suministrado se incorpora en el componente ceramico.
  4. 4. Metodo segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que se ajusta la presion del gas suministrado mediante un ventilador (9) de manera que no llegue a la camara de combustion (3) demasiado gas a traves del componente ceramico (6) y, por otro lado, por que se forma una contrapresion a lo largo de toda la longitud de los tubos intercambiadores de calor (10) suficiente para evitar la entrada de gases de combustion a los tubos intercambiadores de calor (10).
  5. 5. Metodo segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el gas suministrado se transporta hasta las areas de los tubos intercambiadores de calor sujetas a las mayores cargas termicas.
  6. 6. Metodo segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el gas se suministra a traves del tubo de gas que termina en el area de un arco de un tubo intercambiador de calor arqueado en forma de U colgado en una camara de combustion del sistema de caldera.
  7. 7. Metodo segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el gas se suministra en varios puntos.
  8. 8. Metodo segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el gas se suministra a traves de varios orificios (51, 52, 53) distanciados a lo largo del tubo intercambiador de calor (10) y dispuestos en el tubo de gas (13).
  9. 9. Dispositivo con un tubo intercambiador de calor cuya superficie periferica esta rodeada de al menos un componente ceramico (6) y un suministro de gas (12) a un espacio (48, 49, 50) adyacente al tubo intercambiador de calor (10) y al componente (6), en donde el suministro de gas (12) presenta un tubo de gas (13) incorporado en el componente ceramico (6).
  10. 10. Dispositivo segun la reivindicacion 9, caracterizado por que el suministro de gas (12) presenta un ventilador (9).
  11. 11. Dispositivo segun la reivindicacion 9 o 10, caracterizado por que el componente ceramico esta formado por varios elementos ceramicos.
  12. 12. Dispositivo segun una de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado por que el tubo intercambiador de calor esta arqueado en forma de U y el suministro de gas termina en el area del arco.
  13. 13. Dispositivo segun una de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado por que el tubo de gas (13) presenta varios orificios (51, 52, 53) distanciados a lo largo del tubo intercambiador de calor (10).
  14. 14. Dispositivo segun una de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado por que el componente ceramico (6) presenta al menos dos elementos ceramicos (7) en forma de paralelepfpedo que presentan ondulaciones en forma de arco en su seccion y que se fijan entre si con concavidades de ondulacion alineadas entre si, de forma que se pueden disponer dos porciones de tubo intercambiador de calor en dos concavidades de ondulacion (38, 39) opuestas y se puede disponer una porcion de tubo de suministro de gas en dos concavidades de ondulacion opuestas (40, 41) entre estas concavidades de ondulacion.
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