WO2020225465A1 - Caldera tubular con horno incorporado - Google Patents

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    • F28D2021/0024—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for combustion apparatus, e.g. for boilers

Definitions

  • the present invention is applicable in any industrial process that requires the production of thermal energy generation by means of fuels with a significant ash or slag content, more especially for its application in the case in which the arrangement of the heat exchange body of the The boiler must be oriented in a horizontal position, due to installation requirements or limitations, also having application in boilers oriented in a vertical direction.
  • the invention proposes a boiler in which the furnace in which the combustion takes place is located inside the coil of said boiler, in a coaxial way, so that the elimination of slag and ashes from the interior of the boiler is carried out by applying a rotary movement to the boiler and taking advantage of the inlet air movement, moving that slag or ash to an outlet collector.
  • tubular boilers equipped with coil-shaped ducts, forming helical structures, oriented vertically or horizontally are known.
  • the heat exchange fluid such as water or oil
  • the heat exchange fluid passes through the interior of the coil ducts, where the hot gases produced in combustion are in contact with the outer faces of said ducts. , which are heated, achieving high temperatures and pressures with high performance and a small volume of fluid.
  • the solution presented by the invention is based on obtaining a boiler that unifies a furnace and a thermal exchange chamber in a single unit, creating a new configuration specially conceived for burning biomass that require lower combustion temperatures, such as plant residues.
  • the configuration of the parts that compose it ensures its optimal elimination, avoiding or reducing technical cleaning stops and allowing an effective thermal transfer with the coil through which the cooling liquid circulates.
  • the heat exchange tubular boiler of the present invention comprises a heat exchange tube having a distribution comprising at least one helical-shaped layer, that is, serpentine-shaped, wherein said layer or layers comprise a set of turns joined or glued laterally, having a shape similar to that of a tension spring or that of a screw in which the pitch of the threading is defined by the inclination of each turn with respect to the generatrix.
  • the heat exchange tube comprises two or more layers in a helical shape
  • these layers have different section sizes and are located concentrically and superimposed, that is, each layer being within another layer.
  • the turns of each helical layer of the heat exchange tube have a different inclination, with respect to the height of said layers, said inclinations being alternate in each layer. That is to say that, in the innermost layer, all the turns can have a positive inclination with respect to the height of the helix that defines the layer, or a clockwise step if it resembles a screw, and in the immediately superior layer that surrounds the interior, have a negative inclination or an anti-clockwise step, being so successively with the rest of layers.
  • This layer or set of layers of helical shape of the heat exchange tube can have a cylindrical shape or they can have a conical shape, in this case having, when there is more than one layer, alternately reverse tapers between each layer. This is because the helical shape, which defines the layers of the tube, can have an upper and lower diameter, which defines it, the same or different.
  • both the one or more layers that form part of the tube are located in a heat exchange chamber of the tubular boiler, which is where the heat exchange of the fluid that passes through the exchange tube takes place.
  • This exchange chamber also comprises inside the furnace located inside the innermost layer, in a helical shape, of the heat exchange tube, joined to said layer in a rigid way.
  • Said furnace is connected to a fuel feeder located in a space attached to the exchange chamber, but inside the boiler, which provides it with the fuel to be burned.
  • a fuel feeder located in a space attached to the exchange chamber, but inside the boiler, which provides it with the fuel to be burned.
  • the fuel feeder connected to the furnace and configured to supply it with fuel comprises a feeder conduit that connects the exterior of the tubular boiler, where a feed hopper can be located, with the feeder and that is configured to introduce the fuel to said feeder. from outside the boiler.
  • the fuel feeder also comprises a tank connected to the feeder duct, where the fuel introduced into the feeder is accumulated before being introduced into the furnace, a mechanism configured to introduce the fuel accumulated in the tank into the furnace and a support in which the fuel feeder is held inside the boiler.
  • Said mechanism can be configured from different components that allow the regular entry of fuel into the furnace, so that, in a preferred embodiment, the mechanism comprises a motor configured to rotate an endless screw.
  • Said endless screw is the one that longitudinally displaces the fuel through the rotation provided by the engine.
  • the feeder conduit is located above the fuel feeder tank, in a vertical position.
  • the boiler also comprises an ash and slag outlet collector that connects the interior of the heat exchange chamber with the exterior of the boiler, where said ashes are collected, and a forced air current generator configured to generate a movement of air inside the boiler and direct said air to the furnace, where said air movement displaces the ashes and slag, through the at least one layer of the heat exchange tube, to the outlet collector.
  • the forced air movement favors, not only combustion by generating the entry of oxygen, but also the elimination of ashes and that these are not permanently deposited on the heat exchanger tube, reducing the efficiency of the boiler .
  • the furnace comprises a cylindrical or conical outer shape, located concentrically to the helical layer or layers of the heat exchange tube.
  • This external shape depends on the shape of the tube in the form of a helical layer, so that the furnace has the same shape as said layer, but smaller in size as it is located inside.
  • the internal emptying of the furnace can also have a cylindrical, conical or prismatic shape, using the one that best favors combustion from the entry of material and air.
  • the axis of the cylindrical or conical shape of the furnace, as well as its height, comprise an approximate length between one quarter and two quarters of the length of the tube layer. In this way, a large part of the tube is left uncovered, or not covered by the oven, leaving a raised contact surface of the tube through which the heat exchange takes place.
  • the oven comprises ducts, which can be simple openings or tubes that connect the interior of said furnace with the current generator, said conduits being traversed by the air movement created in the generator.
  • the furnace comprises at least one igniter located in said openings that allows the ignition of the fuel to be started.
  • the furnace also comprises a fuel inlet connected to the fuel feeder, so that, in a preferred embodiment, said inlet is located at the base of the outer cylindrical or conical shape of the furnace, concentrically.
  • the fuel burned in the boiler is biomass, although any other fuel with similar characteristics not originating from a biological process can be used.
  • biomass any other fuel with similar characteristics not originating from a biological process can be used.
  • the boiler is applicable to systems for the cogeneration of energy through the use of waste and biomass.
  • the heat exchange chamber comprises a gas outlet duct located in an upper extreme position, preferably vertically, of the tubular boiler, to prevent gases from accumulating in said chamber.
  • the boiler comprises a substantially cylindrical shape, it is positioned horizontally, where the heat exchange tube comprises an inlet and an outlet for a fluid to the boiler, said inlet and said outlet arranged in a longitudinal axis of said shape cylindrical of the boiler.
  • the boiler is configured to rotate on itself, by means of a rotary movement, about the longitudinal axis of the cylindrical shape of the boiler, so that the boiler comprises a rotor, located on the outside of the boiler.
  • boiler configured to perform said rotary movement of the heat exchange tube.
  • it comprises rotating joints connected at the inlet and at the outlet of said tube, outside the boiler.
  • the feeder comprises a counterweight in a lower part of said feeder and the support consists of a train rail-type joint comprising at least two parallel axes with at least two wheels, one wheel being at each end of said axis, the wheels being fitted on rails that are also parallel.
  • These support rails are ring-shaped and are located and rigidly attached inside the boiler, in the annexed space where the fuel feeder is located, concentrically to the cylindrical shape of said boiler.
  • the union of the feeder inside the boiler is a mobile union that allows the rotation of one with respect to the other.
  • the movement of the boiler allows that, as the combustion slag is placed on the heat exchange tube, the slow rotary movement makes the impurities move along the surface of the tube layers like an endless screw, passing between the layer or layers that form the heat exchanger tube, until it ends on the bottom of the boiler, in the outlet collector, to be able to be extracted by conventional means.
  • the ashes make a zigzag path through all the layers from the innermost to the outermost.
  • the contact surface with the gases is reduced, but the progressive decantation of the ash residues is allowed until they fall to the lower zone.
  • the movement favors a similar progressive heating in all parts of the tube.
  • This movement of the boiler also favors the combustion of the fuel by moving the furnace and allowing the arrival of oxygen, from the air current, to all its parts, being an advantage, above all, in the case of using biomass as fuel in the oven.
  • both the inlet and the outlet of the tube are positioned on the axis of the boiler, and the biomass feeder remains immobile, that is to say that the furnace can rotate, but the feeder is always kept in the same position, the feeder duct being in a vertical position, and said feeder being supported on sliding means.
  • both the fuel inlet, the outlet manifold and the gas outlet of the boiler remain immobile, as they do not share said rotary movement. That is, they remain in the same vertical position despite the boiler moment.
  • the performance of the boiler of the invention is superior to that of boilers without this configuration, as they have better heat exchange.
  • both the furnace and the tube can have the rotary movement, by reducing the abrasion generated on part of the coil, and by displacing the fuel while it is burning, the possible hours of use for the boiler are increased.
  • This is due to the fact that, usually, the gases generated in the combustion are not distributed uniformly within the boiler, especially if it is located horizontally, in such a way that the rotary movement of the furnace and the heat exchanger tube if it generates a regular exchange over its entire surface.
  • the use of the heat exchanger tube configured as a slag transfer mechanism, in addition to energy exchange, represents an advance over existing technology.
  • the heat exchange tube can work with different types of fluids such as water or industrial thermal oil, without being limited by its rotational nature.
  • the automatic slag removal system does not require the stop of the heat exchange process and allows the elimination of peripheral equipment intended for this use, obtaining the same result, reducing the investment of costs of the boiler.
  • Figure 1 represents a cutaway elevation view of the tubular boiler in which the heat exchange tube formed by two cylindrical and concentric layers is shown, with the coils joined where the furnace is inside the innermost layer.
  • the present invention refers to a boiler oriented in a horizontal position, which uses biomass as fuel, which generates ashes or slag in combustion, so that, after starting up, it does not need to be stopped or intervened to carry out cleaning work.
  • the boiler is composed of a heat exchange tube (1) with a cylindrical helical shape, or a cylindrical coil, forming two concentric layers, with a small separation between them, which allows to have a surface heat exchange throughout the duct, by convention, superior to single layer coils.
  • Said heat exchange tube (1) is housed in a heat exchange chamber (5) of the boiler, said chamber (5) being cylindrical, like the boiler.
  • the oven (3) is located inside the innermost layer, helically shaped, of the heat exchange tube (1), being rigidly attached to it, said oven ( 3) of a cylindrical exterior shape, having an internal conical recess and covering half the length of the helical layer of the tube (1).
  • the furnace (3) is connected to a fuel feeder (4) also located inside the boiler, in a space outside the heat exchange chamber (5).
  • Said feeder (4) comprises a feeder duct (46), located in a vertical position, which allows the entry of fuel from the outside of the boiler into a tank (43) of said feeder (4), where the fuel is stored before being introduced by means of a mechanism to the furnace (3), through the fuel inlet (32).
  • This mechanism is formed by a motor (41) that rotates an endless screw (42), which moves the fuel to the fuel inlet (32), said inlet (32) being a conduit located in a concentric position in the cylindrical base of the oven (3).
  • the feeder (4) allows the passage of fuel from the outside of the hip to the inside of the furnace (3).
  • the boiler also comprises a current generator (6) that generates an air movement (102) inside the boiler, which moves into the furnace (3) and passes through it through conduits (31).
  • These conduits consist of openings made in said furnace (3) and favor the arrival of oxygen until the furnace combustion (3), but also help the displacement of slag and ash generated in the combustion to an outlet collector (2) where these wastes are extracted.
  • the boiler has a gas outlet (8), located at an upper end of said boiler, configured to extract the gases generated during combustion, and a series of lighters (7) located in the ducts (31) configured to start the ignition of the fuel introduced into the furnace (3).
  • the feeder (4) comprises a support (44) consisting of a joint that allows the movement of said feeder (4) with respect to the boiler by comprising two axles with wheels at their ends fitted on ring-shaped rails.
  • Said rails are located concentrically to the internal part of the boiler, in the annexed space where the feeder (4) is located, and they are joined by a series of rigid joints that allow the heat exchange tube to (1) can rotate around the feeder (4). That is to say, it is as if the rails were in a jacket or internal structure smaller than the internal diameter of the boiler, and said internal structure was rigidly attached to the boiler at various points on its perimeter, so that the heat exchange tube (1) is located outside this internal structure, but inside the boiler.
  • the feeder (4) In order for the feeder (4) to remain immobile while the boiler rotates, it comprises a counterweight (45) that pulls the feeder down under the effect of gravity and prevents the feeder (4) from de-centering with respect to the furnace (3).
  • the tube (1) is heated from the combustion carried out in the furnace (3) and by the movement of hot air (102), in forced ventilation, which flows through the layers of concentric section, increasing the temperature of the fluid circulating inside said heat exchange tube (1).
  • the rotary movement (101) and the movement of hot air (102) in forced ventilation generate a movement of the ashes and the combustion slag, displacing them through the layers of concentric section.
  • This slag and ashes are positioned on the internal part of the layers and move on the external surface of the heat exchanger tube (1), due to the rotary movement (101), functioning as an endless screw, transforming this rotary movement into translation, to be extracted through the outlet manifold (2).
  • the rotary movement (101) of the heat exchanger tube (1) in addition to eliminating the content of ash and slag from the boiler, also improves the heat exchange between the chamber and the fluid that circulates inside the heat exchanger tube ( 1) by allowing hot air to more easily reach all the cavities of the exchange chamber (5) and by increasing the movement of the fluid inside the tube (1).
  • the rotary movement (101) of the heat exchange tube (1) is generated by a rotor located outside the boiler, so that it is not affected by the high temperatures generated inside.
  • the heat exchange tube (1) has rotating joints both at the inlet (11) and at the outlet (12) of said tube (1) of the boiler, which allow rotary movement to the instead of the inlet and outlet of the fluid to be heated, without fluid leaks.
  • the air movement (102) generated by the forced current generator (6) is compensated and favored by a forced draft fan positioned at the outlet of gases (8) from the heat exchange chamber (5). This fan sucks the air from inside the exchange chamber (5), improving the entry of air movement (102) into the oven and generating forced ventilation.
  • the present invention should not be limited to the embodiment described herein. Other configurations can be made by those skilled in the art in light of the present description. Accordingly, the scope of the invention is defined by the following claims.

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Abstract

Caldera tubular con un tubo de intercambio de calor (1) con al menos una capa de forma helicoidal situada en una cámara de intercambio de calor (5), y que comprende un conjunto de espiras unidas lateralmente. La caldera comprende, en un interior de la capa de forma helicoidal, un horno (3) que está unido rígidamente a dicha capa y conectado a un alimentador (4) a través del que se suministra combustible. Comprende también un colector de salida (2) de cenizas y escoria que conecta el interior de la cámara de intercambio de calor (5) con el exterior de la caldera y un generador de corriente (6) de aire forzado que genera un movimiento de aire (102) en el interior de la caldera y lo dirige al horno (3). Este movimiento de aire (102) desplaza las cenizas y la escoria por la al menos una capa de forma helicoidal hasta el colector de salida (2).

Description

CALDERA TUBULAR CON HORNO INCORPORADO
DESCRIPCIÓN
CAMPO Y OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención es de aplicación en cualquier proceso industrial que requiera la producción de generación de energía térmica mediante combustibles con un contenido en cenizas o escoria significativos, más especialmente para su aplicación en el caso en que la disposición del cuerpo de intercambio de calor de la caldera deba estar orientado en posición horizontal, por exigencias o limitaciones de instalación teniendo también aplicación en calderas orientadas en dirección vertical.
La invención propone una caldera en la cual, el horno en el que se produce la combustión, se encuentra situado en el interior del serpentín de dicha caldera, de una forma coaxial, de modo que la eliminación de la escoria y de las cenizas del interior de la caldera se realiza aplicando un movimiento rotatorio a la caldera y aprovechando el movimiento de aire de entrada, desplazando esa escoria o cenizas hasta un colector de salida.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la actualidad, es conocida la existencia de calderas tubulares dotadas de conductos con forma de serpentines, formando estructuras helicoidales, orientadas en posición vertical u horizontal.
En el funcionamiento de estas calderas, el fluido de intercambio de calor, como el agua o el aceite, pasa por el interior de los conductos de serpentines, donde los gases calientes producidos en la combustión se encuentran en contacto con las caras exteriores de dichos conductos, que son calentados consiguiendo obtener elevadas temperaturas y presiones con un gran rendimiento y un pequeño volumen de fluido.
Este fluido que pasa por el interior de los conductos para ser calentado, precisa de una calidad adecuada para evitar incrustaciones por su interior, que pueden afectar al funcionamiento de la caldera, siendo susceptibles a las fluctuaciones de presión y carga resultantes. Por otro lado, el proceso llevado a cabo en estas calderas exige un mantenimiento complejo y costoso, sobre todo, por el gran inconveniente que presenta cuando se utilizan combustibles sólidos, que generan escoria y cenizas, especialmente si dicho combustible es biomasa.
Como es sabido, los tipos de biomasas sólidos más utilizados generan una cantidad de residuos en forma de escoria y cenizas superiores al de otros combustibles sólidos, y además tienen un punto de fusión más bajo, con lo cual se alcanzan temperaturas más bajas en el intercambio con el fluido.
De este modo, las calderas que hacen uso de estos combustibles requieren un mantenimiento mayor que las calderas convencionales para que las impurezas y cenizas no afecten al intercambio de calor reduciendo considerablemente la eficacia, teniendo además un rendimiento más bajo al trabajar en regímenes de temperatura entre los 500 y 700°C.
Este problema es más acusado en las calderas orientadas en posición horizontal, ya que, en las verticales, el serpentín al estar también orientado en vertical, la dirección de la combustión favorece que gran parte de las cenizas se depositen sobre la base inferior del depósito por gravedad, para una posterior limpieza, mientras que, en las horizontales, las cenizas caen sobre el propio serpentín sin posibilidad de retirarlas por medios convencionales.
Debido a ello, las mejoras en este campo están orientadas mejorar el intercambio térmico entre el horno y la caldera y a eliminar las escorias producidas durante la combustión.
En todo el estado del arte no existe la presencia de una caldera similar a la descrita en esta invención, en la que el horno generador del calor se encuentra situado en el interior del propio serpentín de intercambio térmico, en la misma cámara de intercambio de calor de la caldera, de modo que el intercambio térmico es el máximo posible y la eliminación de las cenizas, así como de la escoria se realiza mediante un movimiento rotativo.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La solución que la invención presenta está basada en obtener una caldera que unifica en una sola unidad un horno y una cámara de intercambio térmico, creando una nueva configuración especialmente concebida para la quema de biomasas que requieren temperaturas de combustión más bajas, como pueden ser los residuos vegetales.
De este modo, a pesar de que estos combustibles de biomasa tienen un punto de fusión más bajo que un combustible tradicional, la forma de integrar el horno en la caldera mejora el intercambio térmico, reduce el espacio necesario para alojar el horno y por lo tanto mejora la eficiencia del conjunto.
Al combinar en una única unidad ambas partes, se obtiene un equipo muy eficiente y notablemente más económico que los convencionales, además de conseguir un tamaño mucho más reducido que las instalaciones utilizadas actualmente y que en ocasiones se sobredimensionan para determinados tipos de biomasas.
Dado que la escoria producida en estos procesos, de quema de biomasa, reduce considerablemente el rendimiento de los equipos, la configuración de las partes que la componen asegura su óptima eliminación evitando o reduciendo las paradas técnicas de limpieza y permitiendo una eficaz transferencia térmica con el serpentín por donde circula el líquido de refrigeración.
Por lo tanto, la caldera tubular de intercambio térmico de la presente invención comprende un tubo de intercambio de calor que tiene una distribución que comprende al menos una capa de forma helicoidal, es decir, con forma de serpentín, donde dicha capa o capas comprenden un conjunto de espiras unidas o pegadas lateralmente, teniendo una forma similar a la de un muelle de tracción o a la de un tornillo en la que el paso del roscado viene definida por la inclinación de cada espira respecto a la generatriz.
En el caso de que el tubo de intercambio de calor comprenda dos o más capas de forma helicoidal, estás capas tienen diferentes tamaños de sección y están situadas de forma concéntrica y superpuestas, es decir, estando cada capa dentro de otra capa. Además, las espiras de cada capa helicoidal del tubo de intercambio de calor tienen una inclinación diferente, respecto a la altura de dichas capas, siendo dichas inclinaciones alternas en cada capa. Es decir que, en la capa más interna, todas las espiras pueden tener una inclinación positiva respecto de la altura de la hélice que define la capa, o un paso horario si se asemeja a un tornillo, y en la capa inmediatamente superior que envuelve la interior, tener una inclinación negativa o un paso anti-horario, siendo así de forma sucesiva con el resto de capas.
Esta capa o conjunto de capas de forma helicoidal del tubo de intercambio de calor pueden tener una forma cilindrica o pueden tener una forma cónica, teniendo en este caso, cuando haya más de una capa, conicidades inversas alternativamente entre cada capa. Esto es debido a que la forma helicoidal, que define las capas del tubo, puede tener un diámetro superior e inferior, que la define, iguales o diferentes.
De este modo, tanto la una o más capas que forman parte del tubo están situadas en una cámara de intercambio de calor de la caldera tubular, que es donde se produce el intercambio térmico del fluido que atraviesa el tubo de intercambio.
Esta cámara de intercambio también comprende en su interior el horno situado en el interior de la capa más interna, de forma helicoidal, del tubo de intercambio de calor, unido a dicha capa de una forma rígida.
Dicho horno está conectado a un alimentador de combustible situado en un espacio anexo a la cámara de intercambio, pero en el interior de la caldera, que le proporciona el combustible para ser quemado. De este modo, el intercambio de calor entre el horno y el tubo es más directo y eficiente que si estuvieran en cámaras separadas además de no ocupar un espacio añadido, compactando la caldera en una única unidad.
El alimentador de combustible conectado al horno y configurado para suministrarle combustible, comprende un conducto de alimentador que conecta el exterior de la caldera tubular, donde se puede situar una tolva de alimentación, con el alimentador y que está configurado para introducir el combustible a dicho alimentador desde el exterior de la caldera.
El alimentador de combustible también comprende un depósito conectado al conducto del alimentador, donde se acumula el combustible introducido al alimentador antes de ser introducido al horno, un mecanismo configurado para introducir el combustible acumulado en el depósito al interior del horno y un apoyo en el que se sostiene el alimentador de combustible en el interior de la caldera.
Dicho mecanismo puede estar configurado a partir de diferentes componentes que permitan la entrada regular de combustible al horno, de modo que, en una realización preferente, el mecanismo comprende un motor configurado para hacer girar un tornillo sin fin. Dicho tornillo sin fin es el que desplaza longitudinalmente el combustible mediante el giro proporcionado por el motor.
En una realización preferente, el conducto del alimentador está situado encima del depósito del alimentador del combustible, en una posición vertical.
La caldera también comprende un colector de salida de cenizas y escoria que conecta el interior de la cámara de intercambio de calor con el exterior de la caldera, donde se recogen dichas cenizas, y un generador de corriente de aire forzado configurado para generar un movimiento de aire en el interior de la caldera y dirigir dicho aire al horno, donde dicho movimiento de aire desplaza las cenizas y la escoria, por la al menos una capa del tubo de intercambio de calor, hasta el colector de salida.
De esta forma, el movimiento de aire forzado favorece, no solo la combustión al generar la entrada de oxígeno, sino también la eliminación de cenizas y que éstas no se depositen de forma permanente sobre el tubo intercambiador de calor, reduciendo la eficacia de la caldera.
En una realización, el horno comprende una forma exterior cilindrica o cónica, situada concéntricamente a la capa o capas helicoidales del tubo de intercambio de calor. Esta forma exterior depende de la forma del tubo en forma de capa helicoidal, de modo que el horno comprende la misma forma que tiene dicha capa, pero de tamaño más reducido al estar situado en su interior. El vaciado interno del horno puede tener también una forma cilindrica, cónica o prismática, utilizándose la que mejor favorezca la combustión a partir de la entrada de material y aire.
El eje de la forma cilindrica o cónica del horno, así como su altura, comprenden una longitud aproximada entre una cuarta y dos cuartas partes de la longitud de la capa del tubo. De este modo, se deja una gran parte del tubo descubierta, o no tapada por el horno, dejando una superficie de contacto elevada del tubo por la que se realiza el intercambio térmico.
En una realización, el horno comprende unos conductos, que pueden ser unas simples aberturas o unos tubos, que conectan el interior de dicho horno con el generador de corriente, siendo dichos conductos atravesados por el movimiento de aire creado en el generador. Para que se produzca la combustión, el horno comprende al menos un encendedor situado en dichas aberturas que permite iniciar la ignición del combustible.
El horno también comprende una entrada de combustible conectado al alimentador de combustible, de modo que, en una realización preferente, dicha entrada está situada en la base de la forma exterior cilindrica o cónica del horno, de forma concéntrica.
En una realización, el combustible quemado en la caldera es biomasa, aunque puede utilizarse cualquier otro combustible de características similares no originada en un proceso biológico. De esta manera, al utilizar la biomasa como combustible, la caldera es aplicable a sistemas para la cogeneración de energía mediante el aprovechamiento de residuos y biomasas.
En una realización, la cámara de intercambio de calor comprende un conducto de salida de gases situado en una posición extrema superior, preferiblemente en vertical, de la caldera tubular, para evitar que los gases se acumulen en dicha cámara.
En una realización, la caldera comprende una forma sustancialmente cilindrica, está posicionada en horizontal, donde el tubo de intercambio de calor comprende una entrada y una salida de un fluido a la caldera, dispuestas dicha entrada y dicha salida en un eje longitudinal de dicha forma cilindrica de la caldera.
De este modo, en una realización, la caldera está configurada para girar sobre sí misma, mediante un movimiento rotatorio, sobre el eje longitudinal de la forma cilindrica de la caldera, de modo que la caldera comprende un rotor, situado en el exterior de la caldera, configurado para realizar dicho movimiento rotatorio del tubo de intercambio de calor. Para que se produzca el movimiento rotatorio sin pérdidas del fluido que circula por el interior del tubo de intercambio de calor, éste comprende unas juntas rotativas conectadas en la entrada y en la salida de dicho tubo, en el exterior de la caldera.
En una realización, el alimentador comprende un contrapeso en una parte inferior de dicho alimentador y el apoyo consiste en una unión tipo carril de tren que comprende al menos dos ejes paralelos con al menos dos ruedas, estando una rueda en cada extremo de dicho eje, estando las ruedas encajadas en unos raíles también paralelos.
Estos raíles del apoyo tienen forma de aro y están situados y unidos rígidamente en el interior de la caldera, en el espacio anexo en el que se encuentra el alimentador del combustible, de forma concéntrica a la forma cilindrica de dicha caldera.
Debido a este apoyo móvil, al girar la caldera, el alimentador de combustible permanece inmóvil, despasándose los raíles de en sentido circular, pero permaneciendo en vertical dicho alimentador debido al efecto del contrapeso. Es decir, que la unión del alimentador al interior de la caldera es una unión móvil que permite el giro de uno respecto del otro.
El movimiento de la caldera permite que, al situarse la escoria de la combustión sobre el tubo de intercambio de calor, el lento movimiento rotatorio, hace que las impurezas se vayan desplazando por la superficie de las capas del tubo como un tornillo sin fin, pasando entre la capa o capas que forma el tubo intercambiador de calor, hasta acabar sobre el fondo de la caldera, en el colector de salida, para poder ser extraídas por medios convencionales. En el caso de que el tubo forme varias capas, las cenizas realizan un recorrido en zig-zag pasando por todas las capas de la más interna a la más externa.
Al estar el tubo en forma helicoidal con las paredes de las espiras unidas, se reduce la superficie de contacto con los gases, pero se permite la decantación progresiva de los residuos de ceniza hasta su caída a la zona inferior. Además, el movimiento favorece un calentamiento progresivo similar en todas las partes del tubo.
Este movimiento de la caldera también favorece a la combustión del combustible al mover el horno y permitir la llegada de oxígeno, a partir de la corriente del aire, a todas sus partes, siendo una ventaja, sobre todo, en caso de utilizar biomasa como combustible en el horno.
Las conducciones, entradas, salidas y apoyos de la caldera no suponen un obstáculo al giro rotativo del tubo, de ahí que tanto la entrada como la salida del tubo se posicionen en el eje de la caldera, y que el alimentador de biomasa permanezca inmóvil, es decir que el horno puede girar, pero el alimentador siempre se mantiene en la misma posición, estando el conducto del alimentador en posición vertical, y estando apoyado dicho alimentador sobre medios deslizantes. A pesar del movimiento rotatorio de la caldera, tanto la entrada de combustible, el colector de salida y la salida de gases de la caldera permanecen inmóviles, al no compartir dicho movimiento rotativo. Es decir, que permanecen en una misma posición vertical a pesar del momento de la caldera.
El rendimiento de la caldera de la invención es superior al que presentan las calderas sin esta configuración, al tener un mejor intercambio de calor. Del mismo modo, dado que tanto el horno como el tubo pueden tener el movimiento rotativo, al reducir la abrasión generada sobre parte del serpentín, y al desplazar el combustible mientras se está quemando, se aumentan las horas de uso posibles para la caldera. Esto es debido a que, habitualmente, los gases generados en la combustión no se distribuyen de forma uniforme dentro de la caldera, sobre todo si ésta se sitúa de modo horizontal, de tal forma que el movimiento rotativo del horno y del tubo intercambiador de calor si genera un intercambio regular sobre toda su superficie.
Por otro lado, el uso del tubo intercambiador de calor configurado como mecanismo de traslación de escorias, además del intercambio energético, supone un avance respecto de la tecnología existente.
El tubo de intercambio de calor puede trabajar con diferentes tipos de fluidos como agua o aceite térmico industrial, sin estar limitado por su carácter rotativo.
El sistema de retirada automática de escoria no exige la parada del proceso de intercambio de calor y permite la eliminación de equipos periféricos destinados para este uso, obteniendo el mismo resultado disminuyendo la inversión de costes de la caldera.
No se ha encontrado en los antecedentes ningún modelo que sea capaz de producir el mismo rendimiento que el modelo propuesto de acuerdo con la conjunción que supone todas las características presentadas al combinar el horno en el interior de una capa del tubo de intercambio de calor, añadiendo la fuerza centrífuga de la rotación y la generación del movimiento de aire por parte del generador.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para completar la descripción de la invención y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de sus características, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización de la misma, se acompaña un dibujo en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se han representado la siguiente figura:
La figura 1 representa una vista cortada en alzado de la caldera tubular en la que se muestra el tubo de intercambio de calor formado por dos capas cilindricas y concéntricas, con las espiras unidas donde el horno se encuentra en el interior de la capa más interna.
A continuación, se facilita un listado de las referencias empleadas en las figuras:
1) Tubo de intercambio de calor
11) Entrada
12) Salida
101) Movimiento rotatorio
102) Movimiento de aire
2) Colector de salida
3) Horno
31) Conductos
32) Entrada de combustible
4) Alimentador
41) Motor
42) Tornillo sin fin
43) Depósito
44) Apoyo
45) Contrapeso
46) Conducto del alimentador
5) Cámara de intercambio de calor
6) Generador de corriente
7) Encendedor
8) Salida de gases
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a una caldera orientada en posición horizontal, que utiliza como combustible biomasa, la cual genera cenizas o escoria en la combustión, de modo que, tras su puesta en marcha, no precise ser parada o intervenida para realizar labores de limpieza.
Como puede verse en la figura 1 , la caldera está compuesta por un tubo de intercambio de calor (1) con forma helicoidal cilindrico, o de serpentín cilindrico, formando dos capas concéntricas, con una pequeña separación entre ellas, que permite disponer de una superficie de intercambio de calor de todo el conducto, mediante convención, superior a serpentines de una única capa.
Las espiras de dichas capas se encuentran unidas, sin que existan aberturas ni separación entre ellas. Dicho tubo de intercambio de calor (1) se encuentra alojado en una cámara de intercambio de calor (5) de la caldera, siendo dicha cámara (5) de forma cilindrica, al igual que la caldera.
Una de las ventajas de la invención es que el horno (3) se encuentra situado en el interior de la capa más interna, de forma helicoidal, del tubo de intercambio de calor (1), estando unido rígidamente a ella, siendo dicho horno (3) de forma exterior cilindrica, teniendo un vaciado interno de forma cónica y abarcando la mitad de la longitud de la capa helicoidal del tubo (1).
De este modo, el intercambio de calor entre el horno (3) y el tubo de intercambio (1) es directo, no se requiere una cámara anexa para alojar dicho horno (3) y se tiene una eficiencia mayor que si se encontrase en una cámara anexa y el intercambio de calor se realizase únicamente por el calentamiento de los gases generados en la combustión.
El horno (3) está conectado a un alimentador (4) de combustible situado también en el interior de la caldera, en un espacio exterior a la cámara de intercambio de calor (5). Dicho alimentador (4) comprende un conducto del alimentador (46), situado en posición vertical, que permite la entrada de combustible del exterior de la caldera al interior de un depósito (43) de dicho alimentador (4), donde se almacena el combustible antes de ser introducido mediante un mecanismo al horno (3), por la entrada de combustible (32). Este mecanismo está formado por un motor (41) que hace girar un tornillo sin fin (42), el cual desplaza el combustible hasta la entrada de combustible (32), siendo dicha entrada (32) un conducto situado en una posición concéntrica en la base cilindrica del horno (3). De esta manera, el alimentador (4) permite el paso del combustible desde el exterior de la cadera al interior del horno (3). La caldera también comprende un generador de corriente (6) que genera un movimiento de aire (102) en el interior de la caldera, el cual se desplaza hasta el interior del horno (3) y lo atraviesa por unos conductos (31). Estos conductos consisten en unas aberturas realizadas en dicho horno (3)y favorecen la llegada de oxígeno hasta la combustión del horno (3), pero también ayudan al desplazamiento de la escoria y cenizas generadas en la combustión hasta un colector de salida (2) por donde se extraen estos desechos.
Por otro lado, la caldera dispone de una salida de gases (8), situada en un extremo superior de dicha caldera, configurada para extraer los gases generados durante la combustión, y una serie de encendedores (7) situados en los conductos (31) configurados para iniciar la ignición del combustible introducido en el horno (3).
Cuando la caldera se encuentra en funcionamiento, se produce un lento movimiento rotatorio (101) que hace girar toda la caldera, respecto del eje de la forma cilindrica de dicha caldera de modo que se produce el giro los elementos comprendidos en su interior como el tubo de intercambio de calor (1) y el horno (3) pero no del alimentador (4), del conducto del alimentador (46), de la salida de gases (8) y del colector de salida (2) que permanecen inmóviles.
Para que el movimiento rotatorio (101) del tubo (1) no colisione con ninguno de los elementos necesarios para el funcionamiento de la caldera, tanto la salida (12) como la entrada (11) se sitúan en el eje central de dicha caldera de forma cilindrica. El alimentador (4) comprende un apoyo (44) que consiste en una unión que permite el desplazamiento de dicho alimentador (4) respecto de la caldera al comprender dos ejes con ruedas en sus extremos encajadas en unos raíles con forma de aro.
Dichos raíles están situados de forma concéntrica a la parte interna de la caldera, en el espacio anexo en el que se encuentra el alimentador (4), y están unidos mediante una serie de uniones rígidas que permiten que el que el tubo de intercambio de calor (1) pueda girar alrededor del alimentador (4). Es decir, es como si los raíles se encontrasen en una camisa o estructura interna de menor tamaño que el diámetro interno de la caldera, y dicha estructura interna estuviese unida a la caldera de forma rígida en varios puntos de su perímetro, de modo que el tubo de intercambio de calor (1) se sitúa por fuera de esa estructura interna, pero por el interior de la caldera. Para que el alimentador (4) permanezca inmóvil mientras gira la caldera, comprende un contrapeso (45) que tira del alimentador hacia abajo por efecto de la gravedad y que evita que el alimentador (4) se descentre respecto del horno (3).
De esta forma, el tubo (1) es calentado a partir de la combustión realizada en el horno (3) y por el movimiento de aire (102) caliente, en ventilación forzada, que fluye a través de las capas de sección concéntrica, aumentando la temperatura del fluido que circula por el interior de dicho tubo de intercambio de calor (1).
El movimiento rotatorio (101) y el movimiento de aire caliente (102) en ventilación forzada generan un movimiento de las cenizas y de la escoria de la combustión, desplazándolas por las capas de sección concéntrica. Esta escoria y cenizas se posicionan sobre la parte interna de las capas y se van desplazando sobre la superficie externa del tubo intercambiador de calor (1), debido al movimiento rotatorio (101), funcionando como un tornillo sin fin, transformando este movimiento rotatorio en traslación, para ser extraídas a través del colector de salida (2).
El movimiento rotatorio (101) del tubo intercambiador de calor (1) además de eliminar el contenido de cenizas y escorias de la caldera, también mejora el intercambio de calor entre la cámara y el fluido que circula por el interior del tubo intercambiador de calor (1) al permitir que el aire caliente llegue más fácilmente a todas las cavidades de la cámara de intercambio (5) y a aumentar el movimiento del fluido del interior del tubo (1).
El movimiento rotatorio (101) del tubo de intercambio de calor (1) está generado por un rotor situado en el exterior de la caldera, para que éste no se vea afectado por las elevadas temperaturas generadas en el interior.
Para evitar escapes de líquido, el tubo de intercambio de calor (1) posee unas juntas rotativas tanto en la entrada (11) como en la salida (12) de dicho tubo (1) de la caldera, que permiten el movimiento rotatorio a la vez de la entrada y salida del fluido a calentar, sin escapes de fluido.
El movimiento de aire (102) generada por el generador de corriente (6) forzada se ve compensada y favorecida por un ventilador de tiro forzado posicionado en la salida de gases (8) de la cámara de intercambio de calor (5). Este ventilador succiona el aire del interior de la cámara de intercambio (5), mejorando la entrada del movimiento de aire (102) al horno y generando una ventilación forzada. La presente invención no debe verse limitada a la forma de realización aquí descrita. Otras configuraciones pueden ser realizadas por los expertos en la materia a la vista de la presente descripción. En consecuencia, el ámbito de la invención queda definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Caldera tubular de intercambio térmico que comprende:
- un tubo de intercambio de calor (1) que tiene una distribución que comprende al menos una capa de forma helicoidal;
donde dicha capa comprende un conjunto de espiras unidas lateralmente, situada dicha capa en una cámara de intercambio de calor (5) de la caldera tubular;
caracterizado por que la caldera comprende en su interior:
- un horno (3) situado en un interior de la capa de forma helicoidal del tubo de intercambio de calor (1), estando dicho horno (3) unido rígidamente a dicha capa y conectado a un alimentador (4) de combustible;
- el alimentador (4) de combustible conectado al horno (3) y configurado para suministrar combustible para ser quemado;
- un colector de salida (2) de cenizas y escoria que conecta el interior de la cámara de intercambio de calor (5) con el exterior de la caldera; y
- un generador de corriente (6) de aire forzado, configurado para generar un movimiento de aire (102) en el interior de la caldera y dirigirlo al horno (3);
donde dicho movimiento de aire (102) desplaza las cenizas y la escoria, por la al menos una capa del tubo de intercambio de calor (1), hasta el colector de salida (2).
2.- Caldera tubular de intercambio térmico, según la reivindicación 1 , caracterizada por que el alimentador (4) comprende:
- un conducto de alimentador (46) que conecta el exterior de la caldera tubular con el alimentador (4) y que está configurado para introducir el combustible a dicho alimentador (4) desde el exterior de la caldera;
- un depósito (43) conectado al conducto de alimentador (46), donde se acumula el combustible introducido por dicho conducto de alimentador (46) antes de ser introducido al horno (3);
- un mecanismo configurado para introducir el combustible acumulado en el depósito (43) al interior del horno (3); y
- un apoyo (44) configurado para sostener el alimentador de combustible (4) en el interior de la caldera.
3.- Caldera tubular de intercambio térmico, según la reivindicación anterior, caracterizada por que el conducto de alimentador (46) está situado encima del depósito (43) del alimentador del combustible (4), en posición vertical.
4 Caldera tubular de intercambio térmico, según la reivindicación 2 o 3, caracterizada por que el mecanismo configurado para introducir el combustible acumulado en el depósito (43) al interior del horno (3) comprende un motor (41) configurado para hacer girar un tornillo sin fin (42).
5.- Caldera tubular de intercambio térmico, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el tubo de intercambio de calor (1) tiene una distribución que comprende dos o más capas de forma helicoidal, donde dichas capas están situadas de forma concéntrica y superpuestas.
6.- Caldera tubular de intercambio térmico, según la reivindicación anterior, caracterizada por que las espiras de cada capa helicoidal del tubo de intercambio de calor (1) tienen una inclinación respecto a una altura de dicha capa de forma helicoidal, siendo dichas inclinaciones alternas en cada capa.
7.- Caldera tubular de intercambio térmico, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que cada capa de forma helicoidal del tubo de intercambio de calor (1), tiene una forma cilindrica.
8.- Caldera tubular de intercambio térmico, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por que cada capa de forma helicoidal del tubo de intercambio de calor (1) tiene una forma cónica, donde cada una de las capas comprenden conicidades inversas alternativamente.
9.- Caldera tubular de intercambio térmico, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el horno (3) comprende una forma exterior cilindrica o cónica, situada concéntricamente a las capas helicoidales del tubo de intercambio de calor (1), donde una altura de la forma exterior, cilindrica o cónica, del horno (3) está comprendida entre una cuarta y dos cuartas partes de la altura que define las capas helicoidales del tubo de intercambio de calor (1).
10.- Caldera tubular de intercambio térmico, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el horno (3) comprende: - unos conductos (31), que conectan un interior de dicho horno (3) con el generador de corriente (6), siendo atravesados por el movimiento de aire (102);
- una entrada de combustible (32) conectado al alimentador de combustible (4); y
- al menos un encendedor (7) situado en los conductos (31).
11.- Caldera tubular de intercambio térmico, según las reivindicaciones 9 y 10, caracterizada por que la entrada de combustible (32) está situada concéntricamente a la base de la forma exterior cilindrica o cónica del horno (3).
12.- Caldera tubular de intercambio térmico, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el combustible quemado en la caldera es biomasa.
13.- Caldera tubular de intercambio térmico, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la cámara de intercambio de calor (5), comprende un conducto de salida de gases (8) situado en una posición extrema superior de la caldera tubular.
14.- Caldera tubular de intercambio térmico, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el alimentador (4) comprende un contrapeso (45) en una parte inferior de dicho alimentador (4) y por qué el apoyo (44) comprende al menos dos ejes paralelos con al menos dos ruedas, estando una rueda en cada extremo de dichos ejes, y dos raíles paralelos configurados para encajar las ruedas.
15.- Caldera tubular de intercambio térmico, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la caldera comprende una forma cilindrica, está posicionada en horizontal, donde el tubo de intercambio de calor (1) comprende una entrada (11) y una salida (12) de un fluido a la caldera, dispuestas dicha entrada (11) y dicha salida (12) en un eje longitudinal de dicha forma cilindrica de la caldera.
16.- Caldera tubular de intercambio térmico, según las reivindicaciones 14 y 15, caracterizada por que los raíles del apoyo (44) tienen forma de aro y están situados y unidos rígidamente en el interior de la caldera, de forma concéntrica a la forma cilindrica de dicha caldera.
17.- Caldera tubular de intercambio térmico, según la reivindicación 15 o 16, caracterizada por que la caldera está configurada para girar mediante un movimiento rotatorio (101) sobre el eje longitudinal de la forma cilindrica de la caldera.
18.- Caldera tubular de intercambio térmico, según la reivindicación anterior, caracterizada por que comprende un rotor, situado en el exterior de la caldera, configurado para realizar el movimiento rotatorio (101) de la caldera (1).
19.- Caldera tubular de intercambio térmico, según la reivindicación 15, caracterizada por que el tubo de intercambio de calor (1) comprende unas juntas rotativas en la entrada (11) y en la salida (12) de dicho tubo (1), en el exterior de la caldera.
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