ES2914067T3

ES2914067T3 - Precalentador de aire resistente a la corrosión con tubos revestidos

Info

Publication number: ES2914067T3
Application number: ES14803541T
Authority: ES
Inventors: Steve Turner
Original assignee: CORROSION MONITORING SERVICE Inc
Current assignee: CORROSION MONITORING SERVICE Inc
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: EP3004779A4; US20210293411A1; US11149945B2; EP3004779A1; DK3004779T3; CA2912555A1; CA2912555C; PL3004779T3; WO2014194045A1; US20140352931A1; US11828461B2; EP3004779B1

Abstract

Un sistema de intercambio de calor duradero resistente a la corrosión en el punto de rocío (200, 300, 400) para la transferencia de calor entre un primer gas y un segundo gas, que comprende: a. al menos una primera entrada de gas, estando adaptada dicha entrada para dirigir dicho primer gas hacia el interior del sistema de intercambio de calor; b. al menos una primera salida de gas adaptada para dirigir dicho primer gas fuera de dicho sistema de intercambio de calor; c. una pluralidad de tubos huecos de transferencia de calor (212, 312, 412a,b) alineados paralelos entre sí en una primera dirección sustancialmente perpendicular a dicha primera entrada de gas (202, 302, 409), donde dichos tubos de transferencia de calor se extienden entre dicha primera entrada de gas y dicha primera salida de gas (206, 306, 411); d. dicha pluralidad de tubos huecos de transferencia de calor están adaptados para dirigir dicho segundo gas a través de dichos tubos huecos de transferencia de calor; donde el sistema comprende además: e. un subconjunto de tubos huecos de transferencia de calor (210, 34, 414) de dicha pluralidad de tubos huecos de transferencia de calor, donde el subconjunto de tubos huecos de transferencia de calor comprende al menos un tercio del número total de tubos huecos de transferencia de calor y menos del número total de tubos huecos de transferencia de calor de la pluralidad de tubos huecos de transferencia de calor, donde cada uno de los tubos huecos de transferencia de calor del subconjunto de tubos huecos de transferencia de calor comprende un revestimiento interno (101), donde dicho revestimiento interno de cada tubo hueco de transferencia de calor del subconjunto de tubos huecos de transferencia de calor está separado de una pared externa (103) de cada tubo de transferencia de calor correspondiente y forma un espacio entre el revestimiento interno y la pared externa del tubo de transferencia de calor correspondiente, definiendo dicho espacio una cámara de fluido sellada (107); f. al menos un obturador que sella la cámara de fluido sellada entre el revestimiento interno y dicha pared externa de dicho subconjunto de tubos huecos de transferencia de calor; g. dicha cámara de fluido sellada se extiende a través de una primera lámina tubular (214, 316, 416); y h. cada uno de dichos revestimientos internos tiene una primera longitud axial predeterminada.

Description

DESCRIPCIÓN

Precalentador de aire resistente a la corrosión con tubos revestidos

Campo de la invención

La presente invención se refiere a la estructura y el diseño de un aparato que proporciona intercambio de calor entre gas relativamente caliente y aire relativamente frío en precalentadores de aire para un quemador encendido. Más específicamente, la invención se refiere a la transferencia de calor desde gases de escape calientes que contienen contenido corrosivo, tal como azufre y otros productos químicos, a aire frío al tiempo que se evita la corrosión de los tubos metálicos de transferencia de calor. El aire calentado se utiliza con fines de combustión.

Antecedentes de la invención

Un precalentador de aire es un dispositivo generalmente diseñado para calentar aire antes de usar el aire para la combustión en un sistema de calentamiento por combustión, tal como una caldera. El objetivo principal de un precalentador de aire es aumentar la eficacia térmica del proceso. Los precalentadores de aire se utilizan comúnmente en grandes calderas presentes en centrales térmicas que producen energía eléctrica a partir de, por ejemplo, combustibles fósiles, biomasas o residuos. El precalentamiento del aire se puede lograr utilizando el calor de los gases de escape en el conducto de humos. Los precalentadores de aire recuperan el calor del gas de combustión de la caldera, lo que aumenta la eficacia térmica de la caldera al añadir calor al aire de combustión.

Un tipo tubular de precalentador de aire para su uso en generadores de vapor en centrales térmicas consiste en grupos de tubos rectos que se extienden a través del conducto de salida de gas o de entrada de aire de la caldera, tubos que están abiertos en cada extremo fuera del conducto. Los tubos se encuentran dentro del conducto, y los gases de escape del horno caliente pasan a través o alrededor de los tubos de precalentador, transfiriendo calor desde el gas de escape al aire dentro del precalentador. El aire ambiente es empujado por un ventilador a través de un primer extremo del conducto ubicado en un extremo de los tubos de precalentador, y el aire calentado emerge en otro conjunto de conductos, que transporta el aire calentado al horno de caldera para su combustión.

La disposición de flujo más común para el precalentador de aire tubular es el contraflujo con gas que pasa verticalmente a través de los tubos y aire que pasa horizontalmente en una o más pasadas fuera de y en contacto con los tubos.

Las unidades de precalentador generalmente conocidas comprenden una pluralidad de tubos de intercambio de calor que están colocados horizontalmente en el conducto de gases de combustión. Las unidades de intercambio de calor en diferentes niveles de altura están conectadas entre sí por conductos de aire ubicados fuera del conducto de gases de combustión. La publicación internacional con número WO 2010/139852 (Pub. '852) divulga un sistema de intercambio de calor que tiene las características precaracterizadoras de la presente invención. Describe "un aparato de precalentamiento para aire de combustión en una caldera proporcionando un manguito de guiado de aire en el extremo inicial de la tubería de aire, al menos parcialmente dentro de la tubería de aire, donde el manguito de guiado de aire está hecho de un material mal conductor de calor (es decir, térmicamente aislante) y diseñado para disminuir la turbulencia en el flujo de aire". (página 2, líneas 21 -26). La Pub. '852 describe además que "los flujos de aire S, P a calentar se guían hacia el precalentador 3 desde áreas de suministro de aire 5, 6 en la parte inferior. El aire calentado se descarga desde la parte superior del precalentador. En el ejemplo, el precalentador 3 comprende dos circulaciones de aire, es decir, una circulación de aire primaria P y una circulación de aire secundaria S. Ambas circulaciones de aire P, S comprenden tuberías de aire 7 que están colocadas horizontalmente en el conducto de gases de combustión 2, y las unidades de intercambiador de calor en diferentes niveles están conectadas entre sí por canales fuera del conducto de gases de combustión." (página 4, línea 36 - página 5, línea 6). Mientras que "el manguito de guiado de aire 8 se extiende a través de la capa de aislamiento 9, y la superficie externa del manguito de guiado de aire está conectada firmemente al extremo de la tubería de aire 7" en un extremo, "el manguito de guiado de aire 8 está provisto de divisiones 8c que se ensanchan hacia el extremo 8b" en el otro extremo. (página 5, líneas 15-17; página 6, líneas 32-33). La Pub. '852 describe que "la unidad en un conducto vertical típico de gas de combustión 2 comprende de 20 a 30 tuberías 7 una encima de la otra y en torno a un centenar de tuberías adyacentes entre sí. La figura [Figura 3] muestra una tubería de aire 7 y un manguito de guiado de aire 8 instalado en la misma." (página 5, líneas 9-11). En otras configuraciones, los flujos de gases de combustión se encuentran dentro de los tubos de intercambio de calor, y los tubos de intercambio de calor son verticales.

En cualquier configuración, la temperatura del aire ambiente en el lado de entrada de la unidad de precalentador es significativamente menor que en el lado de salida de aire. El aire ambiente frío en el lado de entrada puede causar un efecto de enfriamiento considerable, debido a que el coeficiente de transferencia de calor del flujo de aire en el punto de entrada es sustancialmente mayor en comparación con el flujo desarrollado de manera más profunda en el conducto de aire. Además, el aire ambiente empujado a través de los tubos de intercambio de calor no se calienta sustancialmente en el punto de entrada al intercambiador de calor.

Este fuerte enfriamiento de los tubos metálicos de intercambio de calor en la entrada de aire puede hacer que la superficie de la unidad de intercambio de calor en el extremo de entrada caiga por debajo del punto de rocío ácido de los productos químicos en los gases de combustión en contacto con los tubos. Uno de los problemas más graves de los precalentadores de aire tubulares es la corrosión en el punto de rocío. Si la temperatura del metal dentro de los tubos cae por debajo de la temperatura de saturación ácida, generalmente entre 190 °F (88 °C) y 230 °F (110 °C), pero a veces a temperaturas tan altas como 325 °F (169 °C), entonces el riesgo de daño en los tubos por corrosión en el punto de rocío debido a los productos químicos presentes en el gas de combustión se vuelve considerable. Por ejemplo, el punto de rocío del ácido clorhídrico (HCl) es de aproximadamente 175 °F (79,44 °C), el del ácido sulfúrico (H²SO⁴) es de aproximadamente 325 °F (162,78 °C) y el del ácido fosfórico (H³PO⁴) es de aproximadamente 225 °F (107,22 °C). Las bajas temperaturas durante todo el ciclo de funcionamiento crean un entorno extremadamente corrosivo para todos los tipos de tubos de acero al carbono comúnmente utilizados. Cuando la vida útil de los tubos de precalentador de aire disminuye a menos de cinco años, el coste de funcionamiento y mantenimiento del precalentador de aire reduce drásticamente el margen bruto de toda la instalación operativa.

Los fallos en los tubos causados por altas tasas de corrosión permiten que el aire de combustión cortocircuite la caldera y suba directamente por la chimenea. El amperaje del ventilador de tiro inducido y tiro forzado aumenta para empujar/tirar más aire a través del sistema hasta que la capacidad de la caldera disminuya debido a la falta de aire de combustión que llega a la caldera. Además, todos los sistemas de control de contaminación aguas abajo se ven afectados negativamente y se pierde la mayor parte, si no la totalidad, del margen de maniobra ambiental. Ambos efectos pueden obligar a la unidad a desconectarse para solucionar los fallos de los tubos o limpiar el calentador de aire. Los fallos de los tubos y el ensuciamiento obligan a la caldera a 1) quemar más combustible; 2) reducir la electricidad neta vendida porque el aumento de la carga del ventilador crea pérdidas parásitas; 3) aumentar la cantidad de gases de efecto invernadero que se vierten al medio ambiente; y 4) disminuir el margen bruto de la instalación.

Para superar el problema descrito de corrosión en el punto de rocío, es habitual en la industria añadir más precalentadores de aire de vapor o gas aguas arriba del calentador de aire tubular, o sustituir la metalurgia de tubos por un material más resistente a la corrosión. Si se opta por añadir precalentadores aguas arriba del calentador de aire, estos precalentadores se utilizan típicamente en el arranque y carga baja para aumentar la temperatura de entrada de aire. En la mayoría de los calentadores de aire, la temperatura del metal está por encima del punto de rocío ácido a plena carga. En el subconjunto de calentadores de aire tubulares, el punto de rocío ácido se produce aguas abajo en los sistemas de control de contaminación. Este procedimiento consume significativamente más energía para precalentar el aire ambiente entrante en el sistema de intercambio de calor.

Los materiales más comunes utilizados para sustituir el acero al carbono para fabricar los tubos de intercambio de calor son el acero inoxidable austenítico y el acero inoxidable martensítico. Estos aceros inoxidables tienen baja conductividad térmica. Esto provoca un lento calentamiento de los tubos metálicos, haciendo que los tubos "suden" y atrapen las cenizas volantes durante el funcionamiento del sistema. Las cenizas pueden llenar rápidamente los tubos, lo que hace finalmente que los tubos queden fuera de servicio. Los aceros inoxidables austeníticos también tienen un alto coeficiente de expansión térmica. Esto hace que los tubos de intercambio de calor se agrieten cerca de las láminas tubulares después de ciclos repetidos. También se conoce en la industria colocar manguitos de aislamiento alrededor del extremo frío de los tubos de intercambio de calor para evitar la corrosión de la tubería de aire.

Se carece de un aparato y procedimiento duraderos para resolver el problema de corrosión en el punto de rocío de manera eficaz manteniendo al mismo tiempo la eficacia térmica del intercambiador de calor en el sistema.

Resumen de la invención

La presente invención, tal como se define en la reivindicación 1, permite reducir las tasas de corrosión y reducir significativamente el ensuciamiento por cenizas volantes al elevar la temperatura del metal de los tubos de intercambiador de calor por encima de los puntos de rocío ácido de las especies corrosivas presentes en los gases de escape. El sistema utiliza revestimientos internos junto con la estructura de tubo externo para cambiar la termodinámica del sistema y para mantener la temperatura de los tubos por encima de los puntos de rocío de los ácidos corrosivos. La eficacia térmica del sistema, sin embargo, no varía significativamente por el uso de los tubos con la nueva estructura. La presente invención también ahorra energía y mejora la vida útil de los tubos de intercambio de calor.

Breve descripción de los dibujos

Las características de la presente invención que se cree que son novedosas se establecen con particularidad en las reivindicaciones adjuntas. La invención puede entenderse mejor a partir de la siguiente descripción detallada de realizaciones actualmente ilustradas de la misma, tomadas junto con los dibujos adjuntos, donde los números similares se refieren a partes similares, y en los que:

La Fig. 1 es una vista vertical en sección transversal de un tubo de transferencia de calor con revestimiento interno.

La Fig. 2 es una vista esquemática de una realización de un precalentador de aire en el que el aire pasa a través de múltiples trayectorias de aire.

La Fig. 3 es una vista esquemática de otra realización del precalentador de aire en el que el aire se mueve a lo largo de una única trayectoria de aire.

La Fig.4 es una vista esquemática de otra realización del precalentador de aire en el que los gases de escape calientes pasan a lo largo del exterior de los tubos metálicos, y el aire pasa a través de los tubos huecos del precalentador.

La Fig. 5 es una ilustración esquemática detallada de la conexión entre la lámina tubular y varios tubos en la realización de intercambiador de calor de la Fig. 4.

La Fig. 6 es una vista frontal en sección transversal del elemento de extensión que conecta dos tubos revestidos.

Descripción detallada de la invención

En un sistema de intercambio de calor de contraflujo común, los gases calientes y el aire ambiente a calentar fluyen en diferentes direcciones durante el proceso de intercambio de calor. Los gases calientes entran en el sistema con una temperatura más alta y salen del sistema con una temperatura más baja. El aire ambiente entra en el sistema con una temperatura más baja que cuando el aire sale del sistema. Se emplea una variedad de disposiciones de trayectorias de gas y aire individuales y múltiples para acomodar los diseños de planta.

En el extremo de entrada de aire ambiente del sistema en cualquiera de los diseños actuales de precalentadores, tanto el aire ambiente empujado hacia el sistema como los gases de escape calientes están en su punto de temperatura más bajo en todo el proceso, que normalmente está por debajo del punto de rocío de los productos químicos corrosivos presentes en los gases de escape. Aquí es también donde es más probable que se produzca toda la corrosión en el punto de rocío. Además, en el escenario en el que el gas de escape caliente todavía está por encima del punto de rocío, la temperatura de los tubos metálicos puede seguir siendo relativamente fría. Cuando el metal frío entra en contacto con los vapores corrosivos en los gases de escape, los vapores se condensan como líquidos ácidos corrosivos que generan corrosión, y el líquido atrapa las cenizas.

La Fig. 1 muestra una vista vertical en sección transversal de un tubo de transferencia de calor 100 de acuerdo con la presente invención con un revestimiento interno 101. Tener estos revestimientos 101 dentro de cada uno de los tubos de intercambio de calor 100 mantiene la temperatura de la superficie metálica del tubo externo 103 por encima del punto de rocío de los gases corrosivos, reduciendo así la corrosión del tubo 100. Para reducir la corrosión, la temperatura metálica de los tubos de transferencia de calor que entran en contacto directo con los flujos de gas de escape, por ejemplo, el revestimiento interno 101, debe permanecer por encima del punto de rocío de los gases corrosivos que fluyen a través del tubo 100, como se muestra mediante la flecha 104. El revestimiento interno 101 que está en contacto directo con los flujos de gas de escape y el tubo externo 103 está hecho de materiales metálicos que tienen alta conductividad térmica, tal como acero al carbono. Obturadores herméticos 105 en ambos extremos del revestimiento interno 101, como se explica con referencia a la Fig. 6, sellan una porción de aire 107 entre el revestimiento interno 101 y el tubo externo 103, formando una cámara de bolsa de aire o capa intermedia entre el revestimiento interno 101 y el cuerpo externo 103 del tubo 100. El aire ambiente fluye fuera del cuerpo externo 103, como se muestra mediante las flechas 106, y recoge calor al entrar en contacto con la superficie metálica externa del tubo externo 103. Una pluralidad de tubos 100 se mantienen juntos en el intercambiador de calor por medio de una o más láminas tubulares 108.

El revestimiento interno 101 pasa calor desde los gases calientes en la trayectoria 104 a través de la porción de aire sellada 107 a la superficie externa del tubo 103 mediante radiación. La superficie externa del tubo 103 se puede calentar lo suficiente debido a la alta conductividad térmica de los materiales utilizados para el revestimiento 101 y el tubo externo 103. El aire ambiente fuera de la superficie externa del tubo externo 103 recoge calor mediante el contacto con la superficie externa del tubo externo 103, en lugar de extraer calor directamente del revestimiento interno 101. Mientras que la transferencia de calor desde la superficie externa del tubo externo 103 al aire ambiente sería alta, la presencia de la capa intermedia de aire 107 protege al revestimiento interno 101 contra una tasa demasiado alta de pérdida de calor y contra un sobreenfriamiento. Esto mantiene la temperatura de las superficies metálicas del revestimiento 101 que hacen contacto con el gas de escape por encima de la temperatura de punto de rocío sin disminuir significativamente la eficacia térmica del sistema de intercambio de calor.

La Fig. 2 muestra una realización del sistema de precalentador de aire que utiliza la presente invención. En esta realización, el aire ambiente a calentar se empuja hacia el precalentador de aire 200, generalmente mediante un ventilador de aire. El aire ambiente es dirigido hacia el sistema a través de una entrada de aire 202 y fluye hacia abajo de acuerdo con la trayectoria de flujo de aire definida por las flechas 204. La trayectoria de aire ambiente 204 en la presente realización tiene múltiples trayectorias interconectadas. El aire ambiente frío que entra en las múltiples trayectorias de esta realización pasa alrededor de y sobre los tubos 212 varias veces a través de múltiples trayectorias hacia abajo. El aire se calienta mediante la transferencia de calor desde los gases calientes en los tubos 212 y es dirigido fuera del sistema en la salida de aire 206, en comparación con el sistema de una sola trayectoria de aire que se muestra en la Fig. 3, donde el aire ambiente pasa a través de una sola trayectoria directamente hacia la salida de aire 306. En la realización de la Fig. 2, cuando el aire ambiente frío fluye hacia abajo adyacente a los tubos 212, el aire en la trayectoria 204 entra en contacto con las superficies externas de los tubos de transferencia de calor 212 para recoger el calor, de modo que el aire se caliente cuando llega a la salida de aire 206. Cuando el aire ambiente en la trayectoria 204 recoge el calor de las superficies externas de los tubos 212, los tubos se enfrían por el aire frío que fluye y la pérdida de calor transferido al aire a medida que el aire se calienta. El aire caliente se suministra entonces desde la salida 206 como una fuente de oxígeno para las reacciones químicas de combustión en el sistema de calentamiento de caldera, como se conoce en la técnica.

Los tubos de transferencia de calor 212 están hechos de aceros al carbono que tienen alta conductividad térmica. Los tubos de transferencia de calor 212 están alineados paralelos entre sí en la dirección sustancialmente perpendicular a la dirección del flujo de aire en la entrada de aire 202. Una lámina tubular superior 214 y una lámina tubular inferior 216 sostienen los tubos 212 para mantener sus posiciones. Cada tubo de transferencia de calor 212 tiene una pared externa muy delgada, y las paredes delgadas forman conductos para que los gases fluyan a través de los tubos 212. Los gases de escape calientes 208 entran en los tubos 212 del precalentador de aire 200 desde la parte superior o inferior, y fluyen dentro de los tubos 212 hacia la parte superior del precalentador 200. Los tubos 212 se calientan como se describe junto con el tubo 100 mostrado en la Fig. 1 por contacto con los gases de escape calientes 208.

Debe haber un flujo de aire ambiente bastante rápido y turbulento para recoger la mayor cantidad de calor posible de las superficies externas metálicas de los tubos 212. Sin embargo, si la captura rápida de calor hace que la temperatura de la superficie externa de los tubos 212 caiga por debajo del punto de rocío, entonces, por ejemplo, el trióxido de azufre corrosivo que está presente en el gas 208 se condensará como ácido sulfúrico y causará corrosión. Las superficies externas de los tubos de transferencia de calor 212 adyacentes a la entrada de aire ambiente 202 tienen la tasa más alta de contacto con el aire frío ambiente. Por lo tanto, los tubos 212 adyacentes a la entrada de aire 212 están revestidos con revestimientos 101 (Fig. 1) para proteger contra la corrosión las superficies tubulares que entran en contacto con los gases calientes.

El área sombreada 210 en la Fig. 2 ilustra dónde los revestimientos internos 101 dentro de una pluralidad de tubos de transferencia de calor 212 están ubicados según la presente invención. En la realización ilustrada, todo el aire frío 204 que entra en el sistema a través de la entrada de aire 202 entrará en contacto con la porción sombreada 210 de los tubos 212. El aire frío recoge el calor de la superficie externa de los tubos 212 en lugar de directamente de los revestimientos internos 101 (Fig. 1), y los revestimientos internos 101 están protegidos contra la pérdida rápida de calor y contra el sobreenfriamiento debido a la bolsa de aire formada en la porción de aire sellada 107. A medida que el aire frío en la trayectoria 204 recoge calor y el flujo de aire se calienta finalmente hasta un punto tal que la temperatura de superficie de los tubos 212 se puede mantener por encima del punto de rocío, los tubos sin revestimiento o las porciones sin revestimiento de los tubos 212, como se muestra en las áreas más claras en la Fig. 2, se utilizan para calentar el aire directamente. Para calentar el aire ambiente a la temperatura adecuada por encima del punto de rocío, los tubos revestidos 210, por cálculo, deben constituir al menos un tercio del número total de tubos de intercambio de calor 212 en la primera pasada de la trayectoria de aire 204, designados por el área sombreada 210.

Las porciones superiores de los revestimientos 101 en la realización de la Fig. 2 también están conectadas a la lámina tubular superior 214. La longitud vertical de la porción revestida 210 de los tubos 212 se extiende al menos en un tramo no más corto que el ancho de la primera trayectoria de aire 204 para entrar en contacto plenamente con todo el aire frío en la trayectoria 204 que entra en el sistema a través de la entrada de aire 202. Los revestimientos 101 no terminan justo en el punto más bajo de la entrada de aire 202, sino que se extienden además una distancia corta 220 hacia la parte inferior de los tubos 212. La temperatura de los tubos metálicos 212 en la parte inferior de la distancia 220 está por encima del punto de rocío. La porción extendida 220 de los revestimientos 101 es para evitar que la unión de las porciones revestidas y no revestidas de los tubos 212 adyacentes al punto más bajo de la entrada de aire 202 forme un disipador térmico en la parte inferior del revestimiento 101. Este disipador térmico debe evitarse ya que el disipador tomaría calor de las superficies metálicas de los tubos 212, haciendo posiblemente que la temperatura del tubo metálico caiga por debajo del punto de rocío. Por cálculo y experimentación, los revestimientos 101 en la realización de la Fig. 2 se extienden por lo general, aproximadamente, 12 pulgadas (30,48 cm) más abajo desde el punto más bajo de la primera trayectoria de aire y en el interior de la segunda trayectoria de aire para evitar la formación de un disipador térmico. En una longitud de segmento de intercambiador de calor de diez pies (3,05 m), la distancia 220 podría ser de cuatro pies (1,22 m). También se puede utilizar una derivación de aire 218 para controlar la cantidad de aire frío y, además, prevenir la corrosión en el extremo frío.

La Fig. 3 muestra una realización de la presente invención instalada en un sistema de precalentador con una sola trayectoria de aire. En esta realización, el aire ambiente a calentar se empuja hacia el precalentador de aire 300 a través de una entrada de aire 302 y avanza a través de una única trayectoria como se ilustra mediante la flecha 304 hacia la salida de aire 306. Cuando el aire ambiente frío fluye en una sola trayectoria de aire 304, el aire entra en contacto con las superficies externas de los tubos de transferencia de calor 312 para recoger el calor de los gases de combustión, de modo que el aire se calienta por encima del punto de rocío cuando el aire llega a la salida de aire 306.

Cuando el aire ambiente recoge el calor de los tubos 312, los tubos se enfrían mediante el aire frío que fluye. El aire caliente se suministra entonces desde la salida 306 como una fuente de oxígeno para las reacciones químicas de combustión.

Los gases de escape calientes de las calderas son dirigidos hacia el precalentador de aire 300 a través de la parte superior de un primer conjunto de tubos de intercambio de calor 312a como se muestra en el lado izquierdo de la Fig. 3. La flecha 308a en la Fig. 3 muestra la trayectoria de los gases calientes que pasan a través del sistema: desde el extremo superior del primer conjunto de tubos 312a hasta el extremo inferior del primer conjunto de tubos, girando la dirección en la cámara de esquina 310, entrando a continuación en el extremo inferior de un segundo conjunto de tubos 312b y, finalmente, saliendo del sistema en 308b después de pasar a través del extremo superior del segundo conjunto de tubos 312b. Los gases de escape que salen del sistema 300 en 308b se enfrían a medida que el calor de los gases pasa a través de las paredes de los tubos de intercambio de calor 312 al aire ambiente 304 que fluye a través del sistema.

El sobreenfriamiento causado por el intercambio rápido de calor puede tener lugar en el extremo de entrada de aire 302 del sistema de intercambio de calor de la Fig. 3. Para evitar que la temperatura de las superficies externas 103 (Fig. 1) de los tubos metálicos 312 caiga por debajo del punto de rocío, los revestimientos internos 101 (Fig. 1) están equipados en los tubos de intercambio de calor cerca del extremo de la entrada de aire 302 del precalentador 300. El área sombreada 314 en la Fig. 3 muestra la ubicación de tubos revestidos.

Como se explica en la descripción de la Fig. 2, todo el aire frío que entra en el sistema a través de la entrada de aire 302 en la realización de la Fig. 3 entrará primero en contacto con los tubos revestidos 312 en el área 314 antes de que el aire entre en contacto con los tubos no revestidos 312 en el área no sombreada. El aire frío en la trayectoria de entrada 302 recoge el calor de las superficies externas de los tubos revestidos 312 en el área 314, en lugar de directamente de los revestimientos internos 101 (Fig. 1). Por lo tanto, los revestimientos internos en el área 314 están protegidos contra la pérdida rápida de calor y contra el sobreenfriamiento. Por lo tanto, las superficies internas de los revestimientos internos 101, que entran en contacto directamente con los vapores corrosivos, están protegidas contra la corrosión, porque se evita que la temperatura de los revestimientos disminuya repentinamente. A medida que el aire frío avanza a través del sistema a lo largo de la trayectoria 304, el aire recoge calor y se calienta hasta un punto en que la temperatura de superficie externa de los tubos 312a,b en el área sin sombra se puede mantener por encima del punto de rocío. De esta manera, los tubos sin revestimiento, mostrados en las áreas más claras en la Fig. 3, se utilizan para calentar el aire. Para calentar el aire ambiente a la temperatura adecuada en la realización de la Fig. 3, los tubos revestidos en el área 314, por cálculo, deben constituir al menos un tercio del número total de tubos de intercambio de calor 312a,b.

La longitud vertical de los tubos revestidos en el área 314 se extiende completamente en un tramo no más corto que el ancho de la entrada de aire 302 para entrar en contacto plenamente con todo el aire ambiente frío que entra en el sistema. Los revestimientos 101 (Fig. 1) utilizados en la realización de la Fig. 3 están sostenidos por las láminas tubulares superior e inferior 316 y 318. Los revestimientos internos 101 en el sistema de la Fig. 3 se extienden a lo largo de los tubos externos de intercambio de calor 312a,b ya que están sostenidos por las láminas tubulares superior e inferior 316 y 318.

La Fig. 4 ilustra una realización del calentador 400 que tiene aire frío inicial y, finalmente, aire más cálido que pasa a través de los conductos tubulares 401, 403 y los gases de escape calientes que pasan fuera de los tubos de intercambio de calor 412a,b ubicados en la trayectoria de gas 408. Los tubos de intercambio de calor 412a,b en esta realización forman conductos de aire ambiente para dirigir inicialmente aire frío. El aire frío se empuja hacia una parte superior 414 de los tubos revestidos 412 (sombreados) mediante un dispositivo de empuje de aire, tal como un ventilador de aire. El aire se calienta después de entrar en la entrada de aire 402 debido al contacto con la porción superior 414 del extremo izquierdo de los tubos de intercambio de calor 412a,b. El aire frío viaja inicialmente a través del sistema de precalentamiento de aire y a través de los tubos 412a,b a lo largo de la trayectoria representada por las flechas 404. Después de que el aire frío entre en el sistema 400 a través de la entrada de aire 402, el aire sale del primer conjunto de tubos de transferencia de calor 412a desde el extremo derecho de los tubos, y una cámara en esquina 410 cambia la dirección de flujo del aire. El aire entra entonces en el extremo derecho del segundo conjunto de tubos 412b y sale del sistema 400 desde el extremo izquierdo del segundo conjunto de tubos 412b a través de la salida de aire 406. Los tubos de transferencia de calor 412a,b se mantienen horizontalmente paralelos entre sí mediante una lámina tubular izquierda 416 y una lámina tubular derecha 418.

Los gases de escape calientes 408 entran en el sistema en la realización de la Fig. 4 desde la parte inferior 409 y salen desde la parte superior 411. Los gases también pueden entrar desde la parte superior y salir desde la parte inferior. Los gases de escape calientes entran en contacto con las superficies externas de los tubos 412a,b y transfieren el calor a los tubos. El calor se transfiere entonces al aire dentro de los tubos y el aire se calienta. La corrosión en el punto de rocío puede producirse cuando el gas enfriado en el extremo superior del intercambiador de calor 400 en la Fig. 4 entra en contacto con la porción de los tubos 412a adyacente a la entrada del aire inicialmente frío en la entrada de aire 402.

Todo el aire inicialmente frío empujado hacia el sistema de calentamiento 400 mediante un ventilador pasa a través de una porción de tubos 414 que están revestidos (Fig. 1). Los tubos 412a en la porción 414 se calientan primero lo suficiente mediante los gases calientes en la trayectoria 404 para mantener la temperatura de los tubos metálicos 412a por encima del punto de rocío de los productos químicos de los gases de escape. Los revestimientos internos 101 (Fig. 1) están instalados en los tubos 412a comenzando en el extremo izquierdo de los tubos, designados como porción 414, para recibir el aire frío. Los revestimientos internos 101 se extienden a través de una longitud predeterminada de los tubos en la porción 414 en la dirección del flujo del aire frío. Una longitud deseada de los revestimientos en la porción 414 de la realización en la Fig.4, por cálculo, es aproximadamente un tercio de la longitud total de los tubos de intercambio de calor 412. En este punto, la temperatura del aire en los tubos 412a,b es suficientemente mayor que la temperatura de punto de rocío. Cada tubo 412a a través del ancho de la entrada de aire 402 está revestido a lo largo de la distancia de la longitud de tubo descrita de este modo.

También se proporcionan protecciones adicionales para evitar la corrosión de la lámina tubular de extremo frío 416. La lámina tubular 416 en el extremo frío en la realización mostrada en la Fig. 4 podría crear un disipador térmico, causando corrosión en la unión de la lámina tubular 416 y el tubo 412a, incluso si la lámina tubular no contribuye al intercambio de calor entre el aire frío y los gases calientes. Cuando el aire frío en la trayectoria 404 entra en contacto con la lámina tubular 416 adyacente a la entrada de aire 402, la lámina tubular puede extraer o drenar el calor de los tubos revestidos en la porción 414. La intersección entre la porción de tubos 414 y la lámina tubular 416 puede dañarse debido a la pérdida de calor y al contacto con los gases calientes en la trayectoria 408. Para evitar este daño, los tubos revestidos en la porción 414 se extienden hacia afuera desde la lámina tubular 416 en una longitud predeterminada desde la lámina tubular 416, y la propia lámina tubular 416 puede estar cubierta por una capa de aislamiento.

La Fig. 5 ilustra los detalles de la lámina tubular 416 de la Fig. 4 que muestra los tubos revestidos 101 de la porción 414 que se extienden a través de la lámina tubular 416 cuatro pulgadas (10,16 cm) aproximadamente para recibir el aire frío empujado hacia el sistema desde la entrada de aire 402 (Fig. 4). Los revestimientos internos 101 también se extienden con la superficie de tubo externo 103 (Fig. 1) una distancia predeterminada de la lámina tubular 416. El espacio entre los revestimientos internos 101 y el cuerpo de la superficie externa 103 de los tubos 100 están sellados en el extremo izquierdo 422 de los tubos 100 y los revestimientos 101. Además, una capa de material refractario aislado 424 se aplica a la lámina tubular 416 para evitar además la pérdida de calor y daños en los tubos 100 y la lámina tubular 416.

La Fig. 6 muestra esquemáticamente un elemento de extensión 601 que se acopla por fricción a los extremos colindantes de dos tubos revestidos 603 y 605 cuando es necesario combinar dos o más tubos para satisfacer una longitud requerida. Los tubos 603 y 605 son idénticos al tubo revestido 101 de la Fig. 1. Los tubos huecos de intercambio de calor 603 y 605 están revestidos con revestimientos internos 607 y 609. Asimismo, el aire en la cámara 604 entre el revestimiento interno 609 y el cuerpo externo de tubo hueco 603 se sella en un extremo 611 adyacente a la lámina tubular superior 613 y cerca del extremo opuesto mediante un obturador 615. El aire en la cámara 606 entre el revestimiento interno 607 y el cuerpo externo de tubo hueco 605 se sella en un extremo mediante un obturador 617 adyacente a la otra lámina tubular 619 y cerca del extremo opuesto mediante un obturador 621.

Para conectar un extremo del tubo 603 a un extremo colindante del tubo 605, un elemento de extensión hueco 601 se inserta parcialmente y por fricción en un extremo del tubo 603. La parte restante del elemento de extensión 601 se inserta por fricción en un extremo del tubo 605. La línea de conexión 623 en la Fig. 6 ilustra dónde los dos tubos 603 y 605 son colindantes y están en contacto entre sí. El elemento de extensión hueco 601 se acopla por fricción tanto al tubo superior 603 como al tubo inferior 605 para mantener los tubos juntos para lograr una longitud deseada. La parte de acoplamiento por fricción del conector hueco 603 está configurada opcionalmente para permitir que pase gas o aire desde el tubo hueco 603 al tubo 605, al tiempo que forma simultáneamente una obturación entre la superficie externa del conector 601 y las paredes internas de los tubos 603 y 605.

Si bien se han mostrado y descrito varias realizaciones particulares de precalentadores de aire resistentes a la corrosión de la presente invención, será evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar cambios y modificaciones. La intención de las reivindicaciones adjuntas es definir el alcance de protección de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de intercambio de calor duradero resistente a la corrosión en el punto de rocío (200, 300, 400) para la transferencia de calor entre un primer gas y un segundo gas, que comprende:

a. al menos una primera entrada de gas, estando adaptada dicha entrada para dirigir dicho primer gas hacia el interior del sistema de intercambio de calor;

b. al menos una primera salida de gas adaptada para dirigir dicho primer gas fuera de dicho sistema de intercambio de calor;

c. una pluralidad de tubos huecos de transferencia de calor (212, 312, 412a,b) alineados paralelos entre sí en una primera dirección sustancialmente perpendicular a dicha primera entrada de gas (202, 302, 409), donde dichos tubos de transferencia de calor se extienden entre dicha primera entrada de gas y dicha primera salida de gas (206, 306, 411);

d. dicha pluralidad de tubos huecos de transferencia de calor están adaptados para dirigir dicho segundo gas a través de dichos tubos huecos de transferencia de calor; donde el sistema comprende además:

e. un subconjunto de tubos huecos de transferencia de calor (210, 34, 414) de dicha pluralidad de tubos huecos de transferencia de calor, donde el subconjunto de tubos huecos de transferencia de calor comprende al menos un tercio del número total de tubos huecos de transferencia de calor y menos del número total de tubos huecos de transferencia de calor de la pluralidad de tubos huecos de transferencia de calor, donde cada uno de los tubos huecos de transferencia de calor del subconjunto de tubos huecos de transferencia de calor comprende un revestimiento interno (101), donde dicho revestimiento interno de cada tubo hueco de transferencia de calor del subconjunto de tubos huecos de transferencia de calor está separado de una pared externa (103) de cada tubo de transferencia de calor correspondiente y forma un espacio entre el revestimiento interno y la pared externa del tubo de transferencia de calor correspondiente, definiendo dicho espacio una cámara de fluido sellada (107);

f. al menos un obturador que sella la cámara de fluido sellada entre el revestimiento interno y dicha pared externa de dicho subconjunto de tubos huecos de transferencia de calor;

g. dicha cámara de fluido sellada se extiende a través de una primera lámina tubular (214, 316, 416); y

h. cada uno de dichos revestimientos internos tiene una primera longitud axial predeterminada.

2. El sistema de intercambio de calor de la reivindicación 1, en el que cada uno de dichos tubos de transferencia de calor está conectado a y se extiende a través de dicha primera lámina tubular (214, 316, 416) y una segunda lámina tubular (216, 318, 418).

3. El sistema de intercambio de calor de la reivindicación 1, en el que:

la cámara de fluido sellada (107) forma una bolsa de aire entre los revestimientos internos (101) y las paredes externas (103) del subconjunto de tubos huecos de transferencia de calor (210, 314),

en el que dicho primer gas es aire ambiente y dicho segundo gas es gas de escape caliente de un sistema de calentamiento por combustión, presentando dichos primer gas y segundo gas temperaturas diferentes, y en el que la bolsa de aire protege los revestimientos internos contra la pérdida rápida de calor y contra el sobreenfriamiento al tiempo que se mantiene una temperatura de superficie de los revestimientos internos por encima del punto de rocío ácido del segundo gas.

4. El sistema de intercambio de calor de la reivindicación 2, en el que dichos revestimientos internos (101) se extienden a través de al menos una de la primera lámina tubular (214, 316, 416) y la segunda lámina tubular (216, 318, 418).

5. El sistema de intercambio de calor de la reivindicación 1, que comprende además:

un aparato de empuje de aire (222, 320, 420) adaptado para empujar el primer gas hacia la primera entrada de gas (202, 302).

6. El sistema de intercambio de calor de la reivindicación 1, en el que:

dicho primer gas es gas de escape caliente de un sistema de calentamiento por combustión, y dicho segundo gas es aire ambiente;

dicho subconjunto de tubos huecos de transferencia de calor están dispuestos adyacentes a la primera salida de gas (411), donde dicho subconjunto de tubos huecos de transferencia de calor (414) se extienden una segunda longitud predeterminada desde dicha primera lámina tubular hacia dicho sistema de intercambio de calor en una dirección a lo largo de una trayectoria de dicho segundo gas, donde dicha segunda longitud predeterminada se determinada por la temperatura del revestimiento interno (101) que permanece por encima de una temperatura predeterminada, y donde dicho subconjunto de tubos huecos de transferencia de calor se extienden una tercera longitud predeterminada desde dicha primera lámina tubular (416) hacia dicha segunda entrada de gas (402).

7. El sistema de intercambio de calor de la reivindicación 6, en el que dicha primera longitud axial predeterminada es al menos un tercio de la longitud axial de dichos tubos huecos de transferencia de calor (412a,b).

8. El sistema de intercambio de calor de la reivindicación 6, en el que dicha tercera longitud predeterminada es de aproximadamente cuatro pulgadas (0,1 metros).

9. El sistema de intercambio de calor de la reivindicación 6, en el que dicha primera lámina tubular (416) está protegida por una capa de aislamiento térmico (424).

10. El sistema de intercambio de calor de la reivindicación 1, en el que dicha primera entrada de gas (202) comprende una derivación (218) configurada para controlar el volumen de dicho primer gas dirigido hacia dicho sistema de intercambio de calor.

11. El sistema de intercambio de calor de la reivindicación 1, en el que dicho subconjunto de tubos huecos de transferencia de calor (210, 314) y revestimientos internos (101) están dispuestos adyacentes a la primera entrada de gas (202, 302), donde dicho subconjunto de tubos huecos de transferencia de calor se extiende una segunda longitud predeterminada hacia dicho sistema de intercambio de calor en una segunda dirección sustancialmente perpendicular a la primera dirección, donde dicha segunda longitud predeterminada se determinada por la temperatura del revestimiento interno (101) que permanece por encima de una temperatura predeterminada.

12. El sistema de intercambio de calor de la reivindicación 11, en el que dicha trayectoria de dicho primer gas comprende una única trayectoria de aire y una pluralidad de trayectorias de aire interconectadas.

13. El sistema de intercambio de calor de la reivindicación 12, en el que dicha segunda longitud predeterminada se extiende al menos un tercio de una longitud de una primera trayectoria de la pluralidad de trayectorias de aire interconectadas en la segunda dirección, siendo la primera trayectoria adyacente a la primera entrada de gas (202, 302).

14. El sistema de intercambio de calor de la reivindicación 12, en el que dichos revestimientos internos se extienden desde dicha primera lámina tubular a través de toda la primera trayectoria de dicha pluralidad de trayectorias de aire interconectadas, y extendiéndose una tercera longitud predeterminada a lo largo de la dirección axial de dichos tubos huecos de transferencia de calor (212) más allá de dicha primera trayectoria y parcialmente en una segunda trayectoria de dicha pluralidad de trayectorias de aire interconectadas.

15. El sistema de intercambio de calor de la reivindicación 14, en el que dicha tercera longitud predeterminada se encuentra en el intervalo de doce pulgadas (0,3 metros) a cuatro pies (1,2 metros).