BR102013018485A2 - Aquecedor de água que atenua o efeito de altura - Google Patents

Abstract

Aquecedor de água que atenua o efeito de altura. Aquecedor de fluxo que atenua o efeito altitude dito aquecedor sendo composto por um sistema de combustão que combina quatro misturadores a uma base retangular na qual se injeta gás e a qual o distribui através de cinquenta pequenas cavidades. O sistema de combustão se combina a um sistema de transferência de calor. O aquecedor de fluxo que atenua o efeito de altitude é apto para altitudes maiores que 2000 metros em relação ao nível do mar sem reduções consideráveis de potência e aumentos representativos nas emissões contaminantes e tóxicas. O sistema de combustão possui um arraste de ar superior aos sistemas convencionais, que lhe permite mitigar a redução da quantidade de oxigênio do ar com os incrementos de altitude, melhorando a operação do equipamento comparativamente aos que existem em oferta comercial e realizando um melhor uso dos recursos naturais não renováveis.

Description

AQUECEDOR DE ÁGUA QUE ATENUA O EFEITO DE ALTURA CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção pertence ao campo dos artefatos destinados a uso residencial, da iínha de eletrodomésticos e especificamente a gasodomésticos. Trata-se mais especificamente de um aquecedor de água de fluxo ou aquecedor instantâneo a gás, o funcionamento do dito aquecedor não sendo afetado pelo fato de operar a diferentes altitudes em relação ao nível do mar.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Os grandes desenvolvimentos tecnológicos em termos de combustão do gás foram centralizados ao longo da história nos países do primeiro mundo, com a particularidade que sua geografia não contempla grandes assentamentos uroanos em altitudes superiores a 2000 metros acima do nível do mar. Toda a normalização a nível mundial em assuntos de manejo e uso de gases combustíveis tem como antecedentes normas norte-americanas e européias (principalmente francesas), mas o uso dos combustíveis gasosos a grandes altitudes não tem sido uma preocupação generalizada.

Em zonas com altitude notável, como é o caso de muitos países andinos, existe o problema de atenuar o efeito da altitude sobre os aquecedores de água. No entanto, as tecnologias do estado da técnica apresentam grandes problemas na fabricação e não têm aplicação em produtos destinados ao usuário final, Com efeito, quando um equipamento térmico funciona a uma altitude maior que a do nível do mar, vários efeitos negativos ocorrem, dentre os quais é possível listar: • Dificuldade de ignição; • Aumento das emissões contaminantes e tóxicas; • Redução da potência térmica; e • Problemas de estabilidade de chama.

As causas dos inconvenientes listados podem ser atribuídas a duas mudanças representativas que ocorrem com o aumento da altitude: redução da quantidade de oxigênio presente no ar e variação de densidade dos gases decorrente da modificação da pressão atmosférica.

Em contrapartida, quando um equipamento que opera com gases combustíveis funciona ao nível do mar, há uma potência térmica e emissões contaminantes e tóxicas que se consideram como ideais e todos os fabricantes a nível mundial se comprometem com o funcionamento dos equipamentos sob esta condição de operação, ainda mais se for levado em conta que as normas aplicáveis a equipamentos de uso doméstico que funcionam com gases combustíveis em todas as suas formulações matemáticas pretendem extrapolar o funcionamento em qualquer lugar à condição do nível do mar.

Os aquecedores de água de fluxo ou instantâneos não fogem às dificuldades descritas, que são comuns a todos os gasodomésticos. Utilizam gás combustível como fonte de calor, para que todos os produtos da combustão circulem por um trocador, a parte externa do qual é dotada de serpentina onde circula água à temperatura ambiente da rede hidráulica da habitação, água que posteríormente incrementa sua temperatura ao redor de 25°C (dependendo da vazão e das condições de instalação), e que terá uso doméstico em duchas, lavagem e cocção.

As normas norte-americanas contemplam o uso de gases combustíveis em altitudes superiores a 1000 metros acima do nível do mar, realizando uma operação conhecida como derreteo americano, prática que consiste em reduzir a potência térmica dos produtos em um valor ao redor de 4% para cada 304 metros acima do nível do mar onde o equipamento esteja operando, situação que está em contraposição com o requisito de uso, já que em altitudes superiores à do mar, haverá temperaturas mais baixas e os requisitos de energia térmica são maiores. Com o derreteo americano se obtém um funcionamento seguro mas ocorrem problemas de insatisfação por parte do usuário com a aplicação, ao não obter as temperaturas finais que o satisfaçam.

Assim, como mencionado nos parágrafos anteriores, o estado da técnica não fornece uma solução contundente aos inconvenientes apresentados pelos gasodomésticos quando operam a grandes altitudes.

Para maior clareza, são os países asiáticos onde se encontra maior densidade de fabricação de aquecedores de água instantâneos que operam com gases combustíveis; por certo sua oferta comercial se restringe a países como Peru e Bolívia devido aos grandes assentamentos urbanos que possuem a altitudes superiores a 3000 metros em relação ao nível do mar e adicionalmente devem realizar grandes esforços técnicos para utilizar seus produtos nos demais países da região andina, em todos os casos sacrificando o desempenho funcional (satisfação do usuário final) para não por em risco a segurança.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO A presente invenção contempla o desenho, desenvolvimento e manufatura de um aquecedor de água instantâneo, que mitiga os efeitos da altitude, garantindo a correta operação do mesmo sob as diferentes condições atmosféricas que possui a região andina.

Adicionalmente, o funcionamento sob condições de baixa altitude também é adequado. São vários os aportes ao estado da técnica do aquecedor de água instantâneo que atenua o efeito altitude, em especial, quando este é submetido a diferentes condições atmosféricas, sendo os mais representativos dentre estes aportes: 1- A aplicação de um sistema de combustão que distribui os impulsos de gás na injeção, garantindo um alto arraste primário de ar, no qual se consegue mitigar a redução de oxigênio que se verifica com o aumento de altitude; 2- A aplicação de um defletor na cabeça dos queimadores, para melhorar a ignição cruzada do sistema de combustão quando as temperaturas ambientes são baixas; 3- Sendo um aquecedor de tiragem natural, contempla desde o desenho até o conjunto de um duto de evacuação que garanta a correta evacuação dos gases e a eficiência na transferência de calor do sistema; 4- A aplicação de um corta tiragem de geometria definida que aumenta a permanência dos gases para melhorar a transferência de calor e aumentar a eficiência do sistema; e 5- A integração de vários dispositivos de segurança para garantir a correta e segura operação do produto.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A FIGURA 1 anexa é uma vista isométrica do sistema de combustão do aquecedor instantâneo da invenção. A FIGURA 2 anexa é uma vista frontal do sistema de combustão do aquecedor instantâneo da invenção. A FIGURA 3 anexa é uma vista lateral do sistema de combustão do aquecedor instantâneo da invenção. A FIGURA 4 anexa é uma vista explodida do aquecedor instantâneo da invenção que atenua o efeito da altitude.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO O aquecedor de fluxo que atenua o efeito altitude é composto por quatro elementos fundamentais, cuja interação na operação garante um funcionamento ótimo em diferentes níveis térmicos, sem afetar o desempenho do produto e velando pela segurança do usuário.

Os quatro elementos que integram o dito aquecedor são: 1. um sistema de combustão; 2. Um sistema de transferência de calor; 3. Uma estrutura mecânica; e 4. Um sistema de controle e segurança do produto.

Cada sistema será descrito em detalhes a seguir. 1. Sistema de Combustão O sistema de combustão se compõe de quatro peças: uma base retangular inferior em alumínio injetado (FIGURA 1-A, FIGURA 2-A) que incorpora duas seções, uma inferior (FIGURA 1-C, FIGURA 2-C) e uma superior (FIGURA 1-B e FIGURA 4-B). Cada seção compreende 4 canais (FIGURA 3-D, FIGURA 4-D) que se dispõem horizontalmente, divididos no centro por um canal perpendicular aos anteriores (FIGURA 3-E, FIGURA 4-E). Assim são geradas seis cavidades, separadas em grupos de três pelo canal central (FIGURA 3-E, FIGURA 4-E). Ditos canais permitem a circulação de gás. A base retangular tem comprimento variável entre 20 e 25 centímetros e largura variável entre 8 e 15 centímetros. A seção inferior (FIGURA 1-C) tem em seus perímetros externos e nos perímetros dos canais, um canal ulterior (FIGURA 4-F) muito fino, no qual se dispõe a solda resistente ao calor mediante a qual se combinam ambas as seções através de um sistema de solda sob pressão. A seção superior consiste em uma tampa em alumínio injetado (FIGURA 1-B e FIGURA 4-B) com 50 injetores distribuídos de maneira uniforme, com diâmetro inferior a um milímetro.

Na parte central inferior da seção inferior, no canal central (FIGURA 3-E, FIGURA 4-E) se encontra um distribuidor (FIGURA 1-G, FIGURA 2-G, FIGURA 3-G) que conecta a válvula principal do sistema com o injetor.

Os elementos da base retangular compõem o que se chama de sistema de injeção unificado. O sistema proposto distribui os impulsos e somente é executado com uma operação de montagem, melhorando o arraste de ar e reduzindo a possibilidade de falha pela redução de operação de montagem com alto risco de problemas de hermeticidade. A base retangular inferior se acopla a quatro misturadores fabricados em aço inoxidável (FIGURA 1-H, FIGURA 2-H, FIGURA 4-h). Ditos misturadores compõem um conjunto de geometria definida, sendo assimilável esta a dois triângulos opostos e superpostos, de modo que os vértices se encontram no centro (FIGURA 1 -N) e as bases dos ditos triângulos formam as extremidades dos misturadores (FIGURA 1-P). O conjunto dos quatro misturadores tem uma altura variável entre 8 e 11 centímetros, de preferência 8, largura variável entre 8 e 15 centímetros e comprimento variável entre 20 e 25 centímetros. A partir da base inferior de cada misturador se estendem lateralmente duas superfícies planas de forma retangular (FIGURA 1-Q, FIGURA 2-Q, FIGURA 4-Q), as quais abraçam cada canal da base retangular em ambos os lados, ligando-se à mesma através de dois flanges, também de forma retangular (FIGURA 1-M, FIGURA 2-M, FIGURA 3-M). Deste modo se garante um arrasto de ar com uma relação de área de passagem/área de estrangulamento superior aos sistemas convencionais. O corpo dos misturadores é fabricado em lâmina de aço inoxidável, material que conserva suas especificações técnicas sob altas temperaturas de operação sem problemas de corrosão ou falta de estabilidade estrutural.

Os misturadores são vedados nas laterais por lâminas (FIGURA 1-1, FIGURA 4-1) as quais permitem manter a hermeticidade necessária para que o gás saia unicamente pelas perfurações da seção superior da base retangular e não se disperse.

Na parte superior dos misturadores externos, estendendo-se ao longo de seu comprimento, se encontram dois defletores em aço inoxidável de modo que o sistema de combustão terá um defletor dianteiro e um traseiro (FIGURA 1-J, FIGURA 2-J, FIGURA 3-J, FIGURA 4-J). Ditos defletores se compõem de um flange de 7 milímetros, com um ângulo aproximado de 90 graus, o qual é quebrado em sua zona central, de modo a gerar um ângulo inferior (FIGURA 1-K, FIGURA 2-K, FIGURA 3-K, FIGURA 4-K). A presença dos defletores facilita o acendimento a frio, evitando que o gás desça até os injetores. O defletor dianteiro é de dimensões menores para permitir a montagem das velas.

Com efeito, no misturador dianteiro, sob o defletor conectado ao mesmo, é montado um suporte para velas (FIGURA 1-L, FIGURA 2-L, FIGURA 3-L, FIGURA 4-L). Dito suporte se compõe de uma forma retangular, acoplada ao misturador mediante dois flanges laterais e que tem na largura, na sua borda superior e inferior, um flange cortado em quatro partes.

As cavidades que derivam destes cortes abrigam as velas (FIGURA 4-R), as quais se firmam mediante uma peça complementar do suporte (FIGURA 4-S). Este sistema de velas compõe o sensor de chama, o qual, no momento em que a chama se apaga, corta o fornecimento de gás, aumentando a segurança do equipamento. As velas são alimentadas por baterias. O sistema de combustão assim descrito se conecta à carcaça do Aquecedor de Fluxo que Atenua o Efeito Altitude por meio de suportes de conexão que se encontram na parte posterior do sistema de combustão, na altura do defletor posterior (FIGURA 1-0, FIGURA 2-0, FIGURA 3-0). Estes suportes de conexão, além de conectar o sistema de combustão à carcaça, têm uma forma que se encaixa com as extremidades laterais e superiores dos quatro misturadores (FIGURA 1-T), conectando-os, mas ao mesmo tempo assegurando que estes sempre tenham entre si uma distância igual e calculada. Com efeito, os misturadores deverão ter entre si uma mesma distância para permitir uma combustão uniforme. 2. Sistema de Transferência de Calor O sistema de transferência de calor se compõe basicamente de três partes fundamentais: um trocador de calor, de forma retangular e oco em seu interior (FIGURA 4-U), um redutor de tiragem (FIGURA 4-V) e um duto de evacuação de gases (FIGURA 4-W).

Ao redor do corpo do trocador se dispõe uma serpentina contendo água (FIGURA 4-X). O trocador de calor possui dimensões que garantem a montagem adequada com o redutor de tiragem, gerando vedação para evitar fuga de calor para o ambiente. O redutor de tiragem retém as correntes quentes de ar para melhorar a transferência de calor para a água, evita o ingresso de correntes externas de ar que possam afetar o sistema de combustão e distribui a evacuação de gases quentes até o duto de evacuação de ar, no qual se canalizam para o exterior do sítio de instalação, melhorando a qualidade do ar no interior do recinto e em geral a segurança do usuário. 3. A estrutura mecânica A estrutura mecânica se compõe de duas peças: carcaça frontal (FIGURA 4-Y) e carcaça posterior (FIGURA 4-Z). A carcaça posterior é o suporte para todas as peças do aquecedor, sobre ela se monta a grande maioria de componentes e posteriormente esta é a que se vai se conectar no lugar de uso definitivo. A estrutura tem vários prensados mecânicos para melhorar sua rigidez estrutural e seu contorno delimita a zona de montagem para a estrutura do produto. A carcaça é uma peça única com vários processos de manufatura (corte, injetado, embutido, pintura) que cobre os sistemas estruturais e funcionais do produto. 4. Sistema de controle e segurança do produto Este sistema é composto por uma variedade de sensores de temperatura e chama que eliminam a possibilidade de operação insegura do produto. O aquecedor desativa o fluxo de gás para o queimador principal se ocorrem alguns dos seguintes fenômenos: 1. Se for gerada uma obstrução da saída de gases quentes pelo duto de evacuação; 2. Se existem correntes de ar em contra-fluxo que impeçam a evacuação normal dos gases; 3. Se a temperatura da água é incrementada a níveis que afetem o trocador de calor (em torno de 85DC); 4. Se não é gerada uma ignição adequada; 5. Se a pressão da água se encontra em níveis superiores aos estabelecidos nas especificações de produto.

As situações que poderíam gerar o corte de gás são mais numerosas, no entanto as mais comuns são descritas.

Claims (17)

1. Aquecedor de água que atenua o efeito altura, caracterizado por compreender: • Um sistema de combustão; • Um sistema de transferência de calor: • Uma estrutura mecânica; e • Um sistema de controle e segurança de produto.

2. Aquecedor de fluxo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito sistema de combustão compreender quatro partes: • Um sistema de injeção unificado em alumínio injetado; • Quatro misturadores em aço inoxidável: • Dois defletores; e • Um suporte para velas.

3. Aquecedor de fluxo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o dito sistema de injeção unificado do sistema de combustão compreender uma base retangular inferior em alumínio injetado integrada por duas partes (uma seção inferior e uma seção superior) unidas sob pressão, com uma solda ao redor da parte inferior.

4. Aquecedor de fluxo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o dito sistema de injeção ser composto por uma base retangular com um comprimento variável entre 20 e 25 centímetros e largura variável entre 8 e 15 centímetros.

5. Aquecedor de fluxo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o dito sistema de injeção unificado compreender uma base retangular em alumínio injetado integrada por duas peças unidas sob pressão, com uma solda ao redor da peça inferior: • Uma seção inferior de forma retangular em alumínio injetado, a qual contém 4 canais que se dispõem horizontalmente, divididos no centro por um canal perpendicular aos anteriores, gerando assim seis cavidades; e • Uma seção superior de forma retangular em alumínio injetado, a qual contém 4 canais que se dispõem horizontalmente, divididos no centro por um canal perpendicular aos anteriores, gerando assim seis cavidades.

6. Aquecedor de fluxo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por uma seção inferior a qual tem um canal ulterior muito fino em seus perímetros externos e nos perímetros dos canais para alojar a solda da vedação das duas peças do sistema de injeção.

7. Aquecedor de fluxo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por ter na parte central inferior do sistema de injeção unificado, na seção inferior, no canal central, um distribuidor.

8. Aquecedor de fluxo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por ter nos canais da seção superior do sistema de injeção unificado, 50 injetores distribuídos de maneira uniforme, de um diâmetro inferior a um milímetro.

9. Aquecedor de fluxo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um sistema de transferência de calor, composto por quatro misturadores fabricados em aço inoxidável, os quais compõem um conjunto de geometria definida, sendo assimilável esta a dois triângulos opostos e superpostos, de modo que os vértices se encontram no centro e as bases formam as extremidades dos misturadores, estes sendo vedados hermeticamente pelas laterais com laminas de aço inoxidável que copiam a mesma forma dos queimadores.

10. Aquecedor de fluxo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por um conjunto de quatro misturadores que têm uma altura variável entre 8 e 11 centímetros e largura variável entre 8 e 15 centímetros e comprimento variável entre 20 e 25 centímetros.

11. Aquecedor de fluxo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por quatro misturadores que a partir da base inferior de cada um deles, estendem lateralmente duas superfícies planas de forma retangular as quais se dobram em sua extremidade gerando um flange, também de forma retangular, para fixar-se ao sistema de injeção unificado.

12. Aquecedor de fluxo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por quatro misturadores soldados nos lados por tampas em aço inoxidável.

13. Aquecedor de fluxo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por dois defletores de aço inoxidável, que se compõem por um flange de 7 milímetros, com um ângulo aproximado de 90 graus, o qual é quebrado em sua zona central, gerando-se um ângulo inferior, sendo um defletor traseiro e outro dianteiro, este tendo um flange mais curto.

14. Aquecedor de fluxo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um suporte de velas de forma retangular, o qual é montado na parte superior do misturador dianteiro mediante dois flanges laterais e tem no comprimento, na sua borda superior e inferior, um flange cortado em quatro partes gerando quatro cavidades que alojam as velas, conectadas mediante uma peça complementar de suporte.

15. Aquecedor de fluxo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por quatro misturadores unidos nas suas extremidades inferiores e conectados à estrutura mecânica por um suporte de conexão.

16. Aquecedor de fluxo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um sistema de transferência de calor composto por: • Um trocador de calor: • Um redutor de tiragem; e • Um duto de evacuação de gases.

17. Aquecedor de fluxo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma estrutura mecânica composta por duas peças injetadas e pintadas: uma carcaça frontal em forma retangular com volume e que na sua parte posterior abriga uma cavidade em forma de semicírculo para permitir a passagem do duto de evacuação e uma carcaça posterior, sendo esta última o suporte para todas as peças do dito aquecedor, com peças receptoras para a maioria de componentes e servindo como base para a conexão definitiva do aquecedor.