ES2677706T3 - Intercambiador de calor para la caldera de condensación - Google Patents

Intercambiador de calor para la caldera de condensación Download PDF

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Abstract

El intercambiador de calor para la caldera de condensación montado con tubos cortos (12, 13, 15, 16) de entrada y de salida de líquido, gas y humos que tiene una envolvente (7) exterior cilíndrica que engloba una cámara (3) de combustión montada en una sección superior de la misma, bajo la cual se monta un conjunto de elementos (1) de tubo verticales, cuyos ambos extremos están fijados a paredes perforadas, donde la pared perforada inferior sirve como la parte (2) inferior de la cámara (3) de combustión y donde las particiones de cualquier forma o número deseados pueden montarse transversalmente en relación a los elementos (1) de tubo, y el espacio entre la pared (5) lateral de la cámara (3) de combustión y la envolvente (7) exterior y el espacio por debajo de la cámara (3) de combustión donde está montado el conjunto (1) de elementos de tubo, están conectados mutuamente para formar la cámara (10) de fluido, caracterizado porque la cámara (3) de combustión tiene una forma de un cono truncado con el diámetro decreciendo hacia la parte superior, y la parte (2) inferior de la cámara (3) de combustión tiene una forma de un cono truncado con su diámetro decreciendo hacia la pared (4) perforada inferior.

Description

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DESCRIPCION
Intercambiador de calor para la caldera de condensacion
La invencion se refiere a un intercambiador de calor para la caldera de condensacion. La solucion pertenece al grupo de intercambiador de tubo disenado para intercambiar calor entre un gas y un fluido. El intercambiador de calor se aplica en ingeniena termica, particularmente en instalaciones de calefaccion central domestica.
Hay muchos tipos conocidos de intercambiadores de calor de tubo. Su estructura depende del lugar espedfico de su aplicacion, los agentes circulantes que participan en el intercambio de calor, y las demandas y necesidades espedficas. Todos los intercambiadores de calor de tubo de tipo fluido-gas comparten una caractenstica en comun, en particular todos tienen un sistema de elementos de tubo que transfieren un gas o lfquido caliente, montado entre dos paredes perforadas dentro de una camara encerrada en una envolvente exterior, en donde circula el agua del gas calentado. En los intercambiadores de calor disenados para instalaciones de calefaccion central domestica, en donde el calor es generado mediante el quemado de un gas, los intercambiadores de calor estan provistos de una camara de combustion montada por encima de la pared perforada superior, y tienen tubos cortos de entrada y de salida de agua, un tubo corto de entrada de gas, y un tubo corto de salida de humo. En dichos intercambiadores de calor, el conjunto de elementos de tubo a traves del cual fluye los humos esta situado verticalmente, y el agua calentada por los humos circula alrededor de los mismos. El conjunto de elementos de tubo esta encerrado en una envolvente exterior, lo mas frecuentemente de forma cilmdrica, que tambien engloba a la camara de combustion completa o a una parte de la misma. En los intercambiadores de calor conocidos del tipo, la camara de combustion tambien tiene una forma cilmdrica con un diametro igual o mas pequeno que el diametro de la envolvente exterior. Tambien se conocen intercambiadores de calor utilizados en ingeniena termica, denominados condensadores o licuadores, compuestos de varios conjuntos de elementos de tubo instalados en una camara encerrada en una envolvente exterior. En dichos intercambiadores de calor, los tubos estan montados entre partes inferiores tabicadas, con las camaras de agua por detras de ellas, desde las cuales el agua es transferida en los tubos para servir como el agente de refrigeracion para el vapor que sale de las salidas de turbina y es transferido a la camara donde los tubos estan instalados. Dependiendo del tipo de intercambiador de calor de tubo, los elementos de tubo utilizados en el sistema de tubos difieren en sus diametros y formas, y puede estar equipado con diferentes elementos auxiliares, tales como particiones o tubos adicionales, etcetera, de manera que se mejora la eficiencia del intercambio de calor.
Conocido a partir del documento publicado bajo el No. DE 8903017 U1 hay un intercambiador de calor para la caldera de condensacion que comprenden las caractensticas del preambulo de la reivindicacion 1. El intercambiador de calor esta montado con tubos cortos de entrada y salida de lfquido gas y humos, que tienen una envolvente exterior que engloba a la camara de combustion montada en la seccion superior de la misma, bajo la cual se monta un conjunto de elementos de tubo verticales, cuyos ambos extremos estan fijados a paredes perforadas, donde la pared perforada superior sirve como la parte inferior de la camara de combustion y donde se pueden montar transversalmente particiones de cualquier forma o numero deseados en relacion a los eventos de tubo. El espacio entre la pared lateral de la camara de combustion y la envolvente exterior y el espacio bajo la camara de combustion donde el conjunto de elementos de tubo se monta estan conectados mutuamente para formar una camara de fluido.
Conocido a partir de la solicitud de patente internacional publicada bajo el No. WO2009/078577 hay una caldera que comprende una carcasa cilmdrica, un intercambiador lfquido-gas situado verticalmente, un quemador instalado en la camara de combustion del intercambiador, una entrada y una salida del agua calentada, un conducto de escape del humo, una entrada de gas, conexiones que suministran el aire y lo mezclan de forma apropiada con el gas, asf como dispositivos de control. Este modo de realizacion del intercambiador de calor contiene un conjunto de elementos de tubo rectangulares en seccion trasversal, distribuidos de forma regular entre las paredes de la envolvente exterior que forma la camara, a traves de la cual fluye el agua calentada. Los extremos superiores de los tubos estan anclados en la pared perforada superior plana bajo la camara de combustion circular. Los tubos, perforados a traves de la pared perforada inferior plana y que cruzan la camara de recirculacion de gas de escape, estan conectados con sus extremos inferiores al conducto de salida de humo. La camara de agua esta montada en las particiones en forma de disco planas con aberturas a traves de las cuales discurren los elementos de tubo. Estas particiones de separacion dificultan la circulacion del agua y por tanto mejoran el intercambio de calor. Ellas se situan perpendiculares a los elementos de tubo, y su diametro es mas pequeno que el diametro interior de la envolvente del intercambiador de calor para dejar algo de espacio entre las particiones y la envolvente para que fluya el agua. La memoria descriptiva mencionada describe la correlacion entre la anchura de este espacio y circulacion de agua, asf como la presion de agua en las particiones. En el modo de realizacion descrito se propone equipar las particiones con tubos de circulacion para evitar una presion de agua aumentada en las particiones, dichos tubos anclados en la particion superior en un extremo y en la inferior en el extremo opuesto. La solicitud tambien presenta una variante estructural donde se deja algo de espacio entre las paredes de elemento de tubo y las aberturas en las particiones a traves de las cuales discurren los tubos para aumentar la agitacion del agua y mejorar la eficiencia del intercambio de calor. La caldera descrita esta equipada con un sistema de circulacion de agua independiente auxiliar que consiste en tubos espirales instalados en la camara de agua y enrollados alrededor de la camara de combustion.
El intercambiador de calor gas-agua disenado para una caldera y divulgado en la publicacion EP0926439 tiene una envolvente exterior cilmdrica que engloba una camara de combustion cilmdrica con una pared lateral corrugada, debajo de la cual se monta un conjunto de tubos verticales entre la pared perforada superior e inferior, en donde la
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pared perforada superior sirve como la parte inferior de la camara de combustion. Los tubos de este intercambiador de calor tienen la forma similar a una elipse aplanada en seccion trasversal y tienen diferentes muescas, hendiduras y cavidades en sus paredes laterales.
El intercambiador de calor para la caldera de condensacion de acuerdo con la invencion, equipado con tubos cortos de entrada y de salida de lfquido gas y humos que tiene una envolvente exterior que engloba una camara de combustion montada en la seccion superior del mismo, por debajo del cual se monta un conjunto de elementos de tubo verticales, ambos extremos de los cuales estan fijados a paredes perforadas, donde la pared perforada superior sirve como la parte inferior de la camara de combustion y donde las particiones pueden ser montadas transversalmente en cualquier forma o numero deseados en relacion a los elementos de tubo, donde el espacio entre la pared lateral de la camara de combustion y la envolvente exterior y el espacio bajo la camara de combustion en donde el conjunto de elementos de tubo esta montado estan conectados mutuamente para formar una camara de fluido que esta caracterizada porque la camara de combustion tiene la forma de un cono truncado con un diametro decreciente hacia la parte superior, y la parte inferior de la camara de combustion tiene la forma de un cono truncado con su diametro decreciente hacia la pared perforada inferior.
La parte inferior de la camara de combustion tiene un abultamiento adicional situado centralmente dirigido hacia abajo.
Se forma una pestana alrededor del borde superior de la pared lateral de la camara de combustion, con su borde exterior permanentemente conectado a la envolvente exterior.
En una variante preferible, la pestana tiene forma de un anillo situado horizontalmente.
Una ventaja de la solucion de acuerdo con la invencion consiste en forzar un flujo uniforme a lo largo de las paredes de la camara de combustion, asf como reducir la resistencia observada localmente que sucede durante el flujo del agente calentado alrededor de la camara de combustion.
Un intercambiador de calor para la caldera de condensacion es mostrado en un dibujo, en donde la figura 1 presenta el interior del intercambiador de calor, y la figura 2 muestra la seccion longitudinal de la parte superior del intercambiador de calor. El intercambiador de calor mostrado en las figuras no cae dentro del alcance de las reivindicaciones.
El intercambiador de calor para la caldera de condensacion consiste en un conjunto situado verticalmente de elementos 1 de tubo circulares en seccion, dispuestos equidistantes, cuyos extremos superiores estan soldados a la pared perforada superior, la cual al mismo tiempo sirve como la parte 2 inferior de la camara 3 de combustion y sus extremos inferiores estan soldados a la pared 4 perforada inferior. En una variante de modo de realizacion de ejemplo, la pared 4 perforada inferior esta formada en un disco plano. La parte 2 inferior de la camara 3 de combustion esta dando la forma de un cono truncado con su diametro decreciendo hacia la pared 4 perforada inferior. En una variante particularmente preferible la parte 2 inferior de la camara 3 de combustion tiene un abultamiento adicional posicionado centralmente dirigido hacia abajo, que mejora la uniformidad del flujo alrededor de la camara 3 de combustion. La camara 3 de combustion esta hecha de una chapa de acero. La pared 5 lateral de la camara 3 de combustion esta inclinada hacia el eje vertical del intercambiador de calor y formada para dar a la camara 3 de combustion la forma de un cono truncado, cuyo diametro se reduce hacia la parte superior. El borde superior de la pared 5 lateral de la camara 3 de combustion esta doblado hacia fuera, formando una pestana 6 en forma de un anillo horizontal, cuyo borde exterior esta soldado a la envolvente 7 exterior cilmdrica del intercambiador. Una particion 8 horizontal tambien echa de chapa de acero esta montada perpendicular al conjunto de elementos 1 de tubo en su longitud superior, inmediatamente por debajo de la pared perforada superior. La particion 8 esta perforada con un numero de aberturas, cuyo diametro corresponde con los diametros de los elementosl de tubo que discurren a traves de ellos. La particion 8 tiene forma conica, estando dirigido su vertice hacia abajo. El angulo de apertura de la particion en forma de cono es aproximadamente de 130°. Una abertura 9 posicionada centralmente grande es cortada en la particion 8. El paquete compuesto por el conjunto 1 de elementos de tubo, las paredes 2 y 4 perforadas, y la particion 8, asf como la camara 3 de combustion estan encerrados en la envolvente 7 exterior, donde la envolvente esta conectada de forma permanente al borde exterior de la pared 4 perforada inferior, el borde exterior de la particion 8, y el borde exterior de la pestana 6 de la camara 3 de combustion. El diametro de la pared perforada superior que sirve como la parte 2 inferior de la camara de combustion es mas pequeno que el diametro de la envolvente 7 exterior; por tanto, a traves de una abertura 9 central grande en la particion, el espacio en el que se monta el conjunto 1 de elementos de tubo y el espacio alrededor de la camara 3 de combustion estan conectados mutuamente para formar la camara 10 de fluido. El intercambiador esta cerrado desde la parte superior con una cubierta 11 montada en un tubo corto de entrada de gas, una abertura para el quemador con su sistema de ventilacion de valvula, y otros elementos de montaje necesarios para la instalacion del equipo y la carcasa de la caldera que alberga al intercambiador de calor descrito. La cubierta 11 esta conectada de forma separada a la envolvente 7 exterior y la pestana 6 de la camara 3 de combustion. Los tubos cortos de entrada 12 de agua y de salida 13 de agua estan instalado respectivamente en las secciones superior e inferior de la envolvente 7 exterior, y el contenedor 14 inferior formado por debajo de la pared perforada inferior esta montado con el tubo 15 corto de drenaje de condensado y el tubo 16 corto de salida de humo de gas.
El intercambiador de calor esta disenado para quemar gas natural y propano y por tanto obtener calor utilizado para calentar el agua que circula en las instalaciones de calefaccion central. El gas se quema en la camara 3 de combustion
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en la seccion superior del intercambiador, despues los humos fluyen verticalmente hacia abajo a traves de los elementos 1 de tubo pasando el calor en su camino al agua que circula dentro de la envolvente 7 exterior entre la entrada 12 de agua y la salida 13 de agua. Cuando el flujo desciende, los humos enfriados descienden por debajo de la temperatura de punto de rodo y se acumula en el contenedor 14 inferior, desde donde el drenado junto con el condensado acumulado, que es una mezcla de agua y productos agresivos del proceso de combustion, a traves del tubo 15 corto de drenaje de condensado y del escape 16 de humo de gas. El agua calentada circula fuera y alrededor de los elementos 1 de tubo, en la direccion opuesta al flujo de los humos, es decir, el agua es introducida a traves del tubo 12 corto de entrada de agua en la parte inferior del intercambiador y fluye hacia arriba alrededor de los elementos 1 de tubo y de la camara 3 de combustion, donde es retirado del intercambiador de calor a traves del tubo 13 corto de salida de agua en la seccion superior del intercambiador. El flujo de agua deseado alrededor de la camara 3 de combustion es empujado por su forma conica y la particion 8, donde el flujo es dirigido a traves de la abertura 9 central en dicha particion 8.
En la variante de ejemplo el intercambiador de calor contiene 20 elementos de tubo, su altura es ~600 mm, el diametro ~350 milfmetros, y el diametro superior de la camara de combustion es ~300 mm. La temperatura maxima garantizada en la salida es ~90°C.
En otras variantes de modo de realizacion, el intercambiador de calor que tiene una camara de combustion en forma conica puede tener un numero variable de particiones de varias formas montadas entre las partes inferiores perforadas inferior y superior. Tambien pueden diferir las secciones y disposicion de los elementos de tubo en el intercambiador de calor.
La forma conica de la camara 3 de combustion y la forma conica de su parte 2 inferior que se da a las mismas en la variante particularmente preferible, complementada adicionalmente con el abultamiento central, permite minimizar el desarrollo incontrolado de areas de diferentes temperaturas en las paredes de la camara de combustion. Dichas areas provocan tensiones sustanciales en el material de la camara de combustion y en las uniones, lo cual reduce la vida de la camara 3 de combustion, y por lo tanto de todo el intercambiador. Una ventaja adicional de la solucion es la reduccion de la resistencia observada localmente que sucede durante el flujo de la gente calentado alrededor de la camara de combustion, lo cual reduce la demanda de la energfa necesaria para forzar la circulacion de la gente en el sistema de calentamiento. Esto es debido a la forma del espacio entre la camara 3 de combustion y la envolvente 7 exterior, cuyo volumen aumenta en la direccion del flujo del agente calentado instantaneamente mejorando la dinamica del flujo de la gente calentado y agitandolo, lo cual una vez mas es propicio para el intercambio de calor.

Claims (3)

  1. REIVINDICACIONES
    1. El intercambiador de calor para la caldera de condensacion montado con tubos cortos (12, 13, 15, 16) de entrada y de salida de Kquido, gas y humos que tiene una envolvente (7) exterior cilmdrica que engloba una camara (3) de combustion montada en una seccion superior de la misma, bajo la cual se monta un conjunto de elementos (1) de tubo
    5 verticales, cuyos ambos extremos estan fijados a paredes perforadas, donde la pared perforada inferior sirve como la parte (2) inferior de la camara (3) de combustion y donde las particiones de cualquier forma o numero deseados pueden montarse transversalmente en relacion a los elementos (1) de tubo, y el espacio entre la pared (5) lateral de la camara (3) de combustion y la envolvente (7) exterior y el espacio por debajo de la camara (3) de combustion donde esta montado el conjunto (1) de elementos de tubo, estan conectados mutuamente para formar la camara (10) de 10 fluido, caracterizado porque la camara (3) de combustion tiene una forma de un cono truncado con el diametro decreciendo hacia la parte superior, y la parte (2) inferior de la camara (3) de combustion tiene una forma de un cono truncado con su diametro decreciendo hacia la pared (4) perforada inferior.
  2. 2. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicacion 1 caracterizado porque la parte (2) inferior tiene un abultamiento adicional situado centralmente dirigido hacia abajo.
    15 3. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicacion 1 caracterizado porque una pestana (6) se forma
    alrededor del borde superior de la pared (5) lateral de la camara (3) de combustion, con su borde exterior permanentemente conectado a la envolvente (7) exterior.
  3. 4. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicacion 3, caracterizado porque la pestana (6) tiene forma de un anillo situado horizontalmente.
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