BRPI1002102A2 - aquecedor de ar de serpentina de Água e economizador integrados - Google Patents
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Abstract
AQUECEDOR DE AR DE SERPENTINA DE ÁGUA E ECONOMIZADOR INTEGRADOS. Um arranjo de economizador e aquecedor de ar de serpentina de água integrados para uma caldeira têm uma entrada de água de alimentação para fornecer água de alimentação para a caldeira, e condutos e uma válvula para dividir a água de alimentação da entrada em uma primeira corrente de fluxo de massa inferior, temperatura mais baixa parcial, e uma segunda corrente de fluxo superior, temperatura mais elevada parcial. Um aquecedor de ar de serpentina de água para passagem de ar a ser aquecido para a caldeira contém pelo menos um circuito de transferência de calor em relação de transferência de calor com o ar, o circuito de transferência de calor do aquecedor de ar de serpentina de ar sendo conectado para receber a primeira corrente parcial. Um economizador para passagem de gás de combustão a ser resfriado para a caldeira contém pelo menos um circuito de transferência de calor em relação de transferência de calor com o gás de combustão, o circuito de transferência de calor do economizador sendo conectado ao circuito de transferência de calor do aquecedor de ar de serpentina de água para receber a primeira corrente parcial do aquecedor de ar de serpentina de água. Um local de mistura à jusante do economizador recebe e reúne as primeira e segunda correntes parciais e um conduto carrega a segunda corrente parcial da entrada de água de alimentação para o local de mistura.
Description
"AQUECEDOR DE AR DE SERPENTINA DE ÁGUA E LUuino,v„^DORINTEGRADOS"
Referência remissiva a pedido relacionado
O presente pedido reivindica o benefício do pedido provisional US número de série61/158.774, intitulado "IWE", depositado em 10 de março de 2009, cuja revelação é pelapresente incorporada a título de referência como se totalmente exposto aqui.
Campo e antecedentes da invenção
A presente invenção refere-se genericamente ao campo de caldeiras e geradoresde vapor e, em particular, a aquecedores de ar para aquecer ar de combustão.
O aquecedor de ar tubular é o principal mecanismo de aquecimento de ar com oaquecedor de ar de serpentina de água (WCAH) como alternativa comumente utilizada. Umaquecedor de ar tubular ou WCAH é atualmente utilizado para aquecer ar de combustão auma temperatura operacional especificada. O fluxo completo da água de alimentação dacaldeira é utilizado como o meio de transferência de calor ao utilizar o WCAH como a fontede calor. À medida que o ar é aquecido, a temperatura da água de alimentação é reduzida.A água de alimentação que sai do WCAH é então enviada para um economizador onde éutilizada para reduzir a temperatura do gás de combustão da caldeira. Em certos casos umaquecedor de ar tubular (TAH) em combinação com um WCAH é utilizado para obter umatemperatura de gás de saída final mais baixa. À medida que a temperatura do gás de cha-miné diminui o tamanho do TAH e WCAH aumenta. O tamanho dos aquecedores de ar au-mentará substancialmente à medida que a temperatura do gás cai abaixo de 162,77°C. Atecnologia atual é limitada pela temperatura de água de alimentação, temperatura de gás dechaminé, e a temperatura de ar de combustão exigida.
A patente US 3.818.872 de Clayton Jr. e outros revela um arranjo para proteger, emcargas baixas, paredes de forno de um gerador de vapor após passagem tendo um circuitode recirculação, por desviar parte do fluxo de água de alimentação que entra em torno doeconomizador do arranjo.
A patente US número 4.160.009 de Hamabe revela um aparelho de caldeira quecontém um meio de desnitrar o qual utiliza um catalisador e que é disposto em uma regiãode temperatura de reação ótima para um catalisador do meio de desnitrar. Para controlar atemperatura do gás de combustão na região de temperatura de reação ótima, essa região éadaptada para comunicar-se com uma fonte de gás de temperatura elevada ou uma fontede gás de baixa temperatura através de uma válvula de controle.
A patente US 5.555.849 de Wiechard e outros revela um sistema para controle detemperatura de gás para a redução catalítica de emissões de oxido de nitrogênio onde, paramanter a temperatura de um gás de combustão até a temperatura exigida para o reator ca-talítico de NOx durante operações de carga baixo, um pouco de fluxo de água de alimenta-ção desvia o economizador do sistema por fornecer esse fluxo parcial a uma linha de desviopara manter uma temperatura de gás de combustão desejada para o reator catalítico.
Os pedidos de patente publicados US 2007/0261646 e US 2007/0261647 de Albre-cht e outros, cujas revelações são pela presente incorporadas a título de referência como setotalmente expostas aqui, revelam um economizador de múltiplas passagens e método paracontrole de temperatura SCR onde a manutenção de uma temperatura desejada de gás desaída de economizador através de uma gama de cargas de caldeira compreende uma plu-ralidade de configurações tubulares tendo superfícies que estão em contato com o gás decombustão. Cada configuração tubular pode compreender uma pluralidade de tubos de re-forço ou de serpentina horizontal ou verticalmente para frente e para trás dentro do eeono-mizador, e cada configuração tubular tem uma entrada de água de alimentação separada.
Tecnologias atuais fornecem tipicamente gás de combustão em ou quase na cha-miné do sistema de caldeira bem acima de 148,88°C. Seria vantajoso se um sistema fossedescoberto que pudesse reduzir economicamente essa temperatura de saída de gás decombustão.
Sumário da invenção
É um objetivo da presente invenção obter uma temperatura de gás de saída finalmais baixa para uma caldeira do que é economicamente possível com tecnologias atuais. Ainvenção aumenta a força de acionamento entre a água de alimentação e o gás de combus-tão. Essa força de acionamento aumentada melhora a transferência de calor entre a água eo gás de combustão, resultando em uma área de transferência de calor muito menor do queé necessário ao utilizar meio tradicional.
Para aumentar a força de acionamento no economizador a Diferença de temperatu-ra Média de registro (LMTD) entre a água e o gás de combustão é aumentada acima do queé possível com tecnologias atuais. Utilizando a tecnologia atual, sob certas condições aLMTD não pode ser aumentada o suficiente para permitir que ocorra transferência de calor.A presente invenção resolve esse problema por aumentar a LMTD de somente uma porçãodo fluxo de água que passa através do economizador enquanto minimiza a transferência decalor que ocorre para o fluxo de água restante que passa através do economizador.
De acordo com a invenção, um aquecedor de ar de serpentina de água (WCAH) eeconomizador integrados (juntos mencionados a seguir como ou chamados um IWE), provêmúltiplas trajetórias de fluxo de água no WCAH e economizador. O fluxo total da água dealimentação entra no IWE como um fluxo único ou múltiplos fluxos. O exterior do WCAH ouapós estar dentro da seção de WCAH do IWE, o fluxo de água de alimentação é dividido emduas ou mais correntes (WCAH de fluxo dividido). O fluxo é propendido entre as correntesdivididas com base em condições operacionais desejadas.
Os vários aspectos novos que caracterizam a invenção são indicados com particu-Iaridade nas reivindicações em anexo a e que fazem parte dessa revelação. Para melhorcompreensão da invenção, suas vantagens operacionais e benefícios específicos obtidospor seus usos, faz-se referência aos desenhos em anexo e matéria descritiva que ilustrammodalidades preferidas da invenção.
Breve descrição dos desenhos
Nos desenhos:
A figura 1 é um diagrama esquemático de uma modalidade do IWE da presente in-venção;
A figura 2 é um diagrama esquemático de outra modalidade do IWE da presente in-venção;
A fiugra 3 é um diagrama de blocos ainda de uma modâiTdade ãcficional do IWE dapresente invenção que tem múltiplos grupos de economizador separados;
A figura 4 é um diagrama esquemático ainda de uma modalidade adicional do IWEda presente invenção;
A figura 5 é um diagrama esquemático de uma seção de forno de uma caldeira con-
tendo o IWE da presente invenção, de acordo com a figura 1;
A fiugra 6 é um diagrama esquemático de uma seção de forno de uma caldeira si-milar à fiugra 5, porém contendo o IWE de uma modalidade adicional da presente invenção;e
A fiugra 7 é um diagrama esquemático de uma seção de forno de uma caldeira si-milar à fiugra 5 porém contendo o IWE ainda de uma modalidade adicional da presente in-venção.
Descrição das modalidades preferidas
Com referência agora aos desenhos, em que numerais de referência similares sãoutilizados para se referir a elementos iguais ou funcionalmente similares em todos os váriosdesenhos, a fiugra 1 mostra um aquecedor de ar de serpentina de água ou WCAH 12 e e-conomizador ou ECON 14 integrados que juntos formam o IWE 10 da invenção. O IWEtambém pode ser utilizado com um economizador de múltiplas passagens 16 do tipo revela-do nos pedidos de patente publicados US 2007/0261646 e US 2007/0261647, que podemreceber a água de saída do economizador 14 do IWE 10.
Descrição do aparelho
A entrada total de água de alimentação na entra 20 é dividida pelo meio de divisãocomo condutos e uma ou mais válvulas, em uma primeira corrente de fluxo de massa inferi-or, de temperatura elevada parcial, 22, e uma segunda corrente de fluxo de massa superior,de temperatura mais elevada, parcial 24. A primeira corrente parcial 22 passou através depelo menos um circuito de transferência de calor no WCAH 12 que contém uma porção mai-or da superfície de transferência de calor do WCAH 12, e é utilizada para aumentar a LMTDentre a água e o gás de economizador. Isso é feito utilizando somente uma porção do fluxototal de água para aquecer o ar que passa pelo WCAH 12. Isso resulta em uma temperaturade água muito mais baixa entrando no economizador 14. A segunda corrente parcial 24 sedesloca ao longo de um conduto e tem superfície de transferência de calor mínima e é utili-zada para mover a maior parte da água. As duas correntes 22 e 24 passam através do eco-nomizador 14 para simplicidade de construção, de modo que as duas correntes têm algumefeito de transferência de calor para propensão do fluxo e desse modo melhor controle, eminimizar choque térmico quando as correntes são reunidas. A quantidade de fluxo em cadacorrente é determinada pelo ponto de ajuste de uma válvula 26.
A água em cada corrente permanece dividida por toda a seção WCAH 12 e as cor-rentes entram na seção de economizador 14 como duas córrentes separadas (corrente divi-dida). A água entra na seção de economizador do IWE 10 como uma corrente de fluxo demassa inferior, temperatura mais baixa 22 e uma corrente de fluxo elevado, de temperaturamais elevada 24. As correntes permanecem divididas por toda a seção de economizador 14(economizador de corrente dividida). A corrente de fluxo baixo e temperatura baixa 22 é uti-lizada como o principal meio de transferência de calor com o gás de combustão. Essa cor-rente 22 se desloca através da maior parte da superfície de transferência de calor tanto emWCAN 12 como em ECON 14. A corrente de fluxo elevado, temperatura elevada 24 temsuperfície mínima de transferência de calor para reduzir transferência de calor com o gáscombustível.
Após as duas correntes 22 e 24 terem passado totalmente ou quase através da se-ção de economizador 14, são combinadas na seção de mistura 28 do IWE 10, isto é, dentroou fora, porém é pelo menos próximo da extremidade à jusante do economizador 14. Essacorrente combinada então sai do IWE e é enviada em 30 através do tambor de vapor dacaldeira (não mostrada) ou da saída 36 do economizador 14, através de um economizadorde corrente não dividida ou economizador de múltiplas passagens 16, para trabalho adicio-nal de transferência de calor.
Como mostrado pela linha pontilhada 32 que eneerra as extremidades à montantede correntes 22 e 24 e válvula 26, a divisão na água de alimentação pode ocorrer no invólu-cro de aquecedor de ar de serpentina de água ou WCAH 12.
Outra modalidade do IWE é ilustrada na figura 2 onde as correntes divididas 22 e24, a válvula 26 e a seção de mistura 28, pode estar todas à montante do WCAH 12 ou, co-mo mostrado pela linha pontilhada 34, tanto à montante do WCAH 12 como dentro do eco-nomizador 14.
A figura 4 ilustra ainda uma modalidade adicional do IWE onde a corrente de fluxode massa inferior, temperatura mais baixa 22 passou primeiramente por um circuito de per-muta de calor 22a no WCAH 12 que está sendo abastecido por um fluxo ascendente de arde combustão e, portanto, resfriado. A corrente 22 entra então em um segundo circuito depermuta de calor 22b no economizador 14 para ser aquecida pelo gás de combustão quepassa para baixo no economizador, então para um terceiro circuito de transferência de calor22c de volta no WCAH 12 para desprender calor para o ar e se aproximar da temperatura dear, e então novamente para um quarto circuito 22d para novamente ser aquecido pelo gásde combustão antes de reunir-se com a corrente de fluxo mais elevado, temperatura maiselevada 24 na seção de mistura 28.
A água de alimentação dividida à montante 20 em correntes 22 e 24 e válvula 26são mostradas no exterior do WCAH 12 na fiugra 4 porém podem estar alternativamentedentro do WCAH 12.
A figura 3 é um diagrama de blocos de outraTfiodalidade da invenção que inclui re-gimes de fluxo e temperaturas exemplares bem como ilustra como uma unidade de Redu-ção catalítica seletiva de óxidos de Nitrogênio ou SCR 40 pode ser incorporada na invenção.O economizador 14 do IWE da invenção, que pode ser um economizador de 4 grupos, estáà jusante do SCR 40 e recebe a corrente de fluxo de massa inferior, temperatura mais baixa22e do WCAH 12. Alternativamente, parte ou toda a corrente de fluxo de massa inferior,temperatura mais baixa 22f do WCAH 12 é fornecida a um segundo economizador de 3 gru-pos 42, que também recebe toda a corrente de água de alimentação de regime de fluxo ele-vado, temperatura elevada 24 após ter sido reunido com a corrente 22e que sai do econo- mizador 14 na seção de mistura 28. Válvulas 26, 46 e 48 são ajustadas para controlar ascorrentes 22 e 24 e sua quantidade de distribuição para os economizadores 14 e 42. Umpouco de água de alimentação pode ser também derivada em 50 para ser fornecida a umregulador de temperatura (não mostrado). O fluxo de água de alimentação recombinado doeconomizador 42 é então fornecido a um economizador de 1 grupo 44 que está à montantedo SCR1 antes de ir para o tambor de vapor em 36.
A figura 3 também ilustra o fluxo de gás de combustão de contracorrente primeira-mente para dentro do economizador 44 a 343,33°C, a seguir através do SCR 40 e para oeconomizador 42 e em um fluxo de 889, 136,07-kg/h e 256,66°C, para o economizador 14do IWE, e finalmente em uma temperatura de gás de chaminé aceitável de 148,88°C, o fluxode gás de combustão total é descarregado. Ar de combustão a 280,00 kg/h e 27,77°C entrano WCAH 12, é aquecido e então sai em uma temperatura de 214,44°C. Como observadoacima, temperaturas e regimes de fluxo para as correntes de água de alimentação são mos-trados na figura 3.
As figuras 5, 6 e 7 ilustram modalidades do IWE da presente invenção em seçõesde forno de caldeira e também mostram condições exemplares para operação da invenção.
Na figura 5, o IWE 10 com WCAH 12 e ECON 14 recebem as correntes de água dealimentação 22 e 24, divididas pela válvula 26 da entrada de água de alimentação 20, e ascorrentes de água de alimentação são reunidas e misturadas em 28 antes de serem forneci-das a um segundo economizador 52 onde calor adicional de entrada de gás de combustão64 no topo da seção de forno a 343,33°C, é absorvido pela água. O fluxo de água de alimen-tação combinado é então fornecido em série para um terceiro economizador 54 e então umquarto economizador 56, antes de ser descarregado em 36 e em 285°C para retornar paraoutras seções da caldeira.
Gás de combustão, agora resfriado a 148,88°C, é fornecido na saída 66 para achaminé de forno (não mostrado).
Enquanto isso ar de combustão é fornecido por um soprador 60 para o WCAH 12 a27,22°C, onde é aquecido a 214,44°C antes de sef fornecido como ar secundário a 62, pelaágua de alimentação fornecida na entrada 20, a240°C
Um aparelho similar àquele da figura 5 é mostrado na figura 6 onde, entretanto, aágua de alimentação 20 é dividida de modo que uma corrente parcial 22 passa através doWCAH 12 e a descarga de WCAH 12 é fornecida ao economizador 14 onde é reunida com aoutra corrente de água de alimentação parcial 24 da válvula 26, de modo que toda água dealimentação é aquecida pelo gás de combustão que passa através do economizador 14.
Na modalidade da figura 7, que é similar àquela da figura 6, exceto que somenteuma corrente 22 de água de alimentação passou no economizador 14, enquanto a outracorrente 24 que tinha sido dividida da entrada de água de alimentação total 20, é reunidacom a corrente 22 fora do economizador 14 em 28. Desse modo, somente uma porção daágua de alimentação, isto é, corrente 22, é resfriada no WCAH 12.
Descrição adicional do processo
Trajetória de fluxo de água de alimentação:
1. a água de alimentação (2) entra no limite da caldeira em temperatura e fluxo to-tal.
2. a água de alimentação entra no IWE na seção de propensão da corrente divididaWCAH (12) onde é dividida em duas correntes (22, 24). As duas correntes permanecemseparadas por todo IWE (10).
3. a primeira corrente (22) é passada através da maior parte dos tubos de WCAH(superfície de aquecimento).
4. a segunda corrente (24) é enviada através de uma única corrente com superfíciede aquecimento mínima.
5. a maior parte da transferência de calor ocorre na primeira corrente que diminui atemperatura da água naquela corrente. Transferência mínima de calor ocorre na segundacorrente à medida que passa através da seção WCAH.
6. as duas correntes saem da seção WCAH e entram na seção de economizador decorrente dividida.7. a primeira corrente passa através da maioria dos tubos de economizador (super-fície de aquecimento). Essa corrente faz a maior parte do resfriamento dos gases.
8. a segunda corrente passa através de um único tubo grande com superfície míni-ma de transferência de calor.
9. após as duas correntes passarem através da seção de economizador do IWE,entram em uma seção de mistura (28).
10. dentro da seção de mistura as duas correntes são misturadas juntas e entãosaem do IWE (10).
11. após a água sair do IWE é enviada para o tambor ou outra seção(ões) de eco-nomizador como uma única corrente de fluxo.
Trajetória de fluxo de gás de combustão:
1. o gás de combustão sai da caldeira e passa através de outra superfície de trans-ferência de calor.
2. o gás de combustão então entra na seção de economizador do IWE.
3. o gás passa sobre as duas correntes com a maior parte da transferência de calorocorrendo na superfície de aquecimento de fluxo baixo, temperatura baixa.
4. o gás de combustão então sai do IWE.
Controle de divisão de água de alimentação
A metodologia de controle para ajuste da válvula 26, e, portanto, as quantidades re-lativas de água de alimentação nas primeira e segunda correntes parciais 22 e 24, é similaràquela dos pedidos de patente publicados US 2007/0261646 e US 2007/0261647. De acor-do com essa metodologia um algoritmo é desenvolvido para quantificar condições de estadoconstante teóricas, em que regimes de fluxo de massa são utilizados como entradas. O al-goritmo é necessário visto que estado constante pode levar até uma hora ou mais para atin-gir, desse modo tornando as medições de temperatura em tempo real à jusante do econo-mizador potencialmente enganosas caso o estado constante não seja atingido. Após atingiro estado constante, os algoritmos podem ser "aparados" (isto é, proporcionalmente ajusta-dos) para compensar diferenças operacionais efetivas vs. Teóricas. O algoritmo utilizadodepende do tamanho efetivo do equipamento de regimes de fluxo de massa disponíveis.
Embora modalidades específicas da invenção tenham sido mostradas e descritasem detalhe para ilustrar a aplicação e princípios da invenção, será entendido que não sepresente que a presente invenção seja limitada aos mesmos e que a invenção pode ser in-corporada de outro modo sem se afastar de tais princípios. Por exemplo, a presente inven-ção pode ser aplicada à construção nova envolvendo caldeiras ou geradores de vapor, oupara a substituição, reparo ou modificação de cadeiras ou geradores de vapor existentes.
Em algumas modalidades da invenção, certas características da invenção podem ser utili-zadas às vezes vantajosamente sem um uso correspondente das outras características. Porconseguinte, todas essas alterações e modalidades estão compreendidas adequadamenteno escopo das reivindicações que se seguem (incluindo todos e quaisquer equivalentes).
Claims (2)
1. Arranjo de economizador e aquecedor de ar de serpentina de água integradospara melhorar a diferença em temperatura média de registro para uma caldeira,CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:uma entrada de água de alimentação para fornecer água de alimentação para a cal-deira;meio de divisão para dividir a água de alimentação a partir da entrada para umaprimeira corrente de fluxo de massa inferior, temperatura elevada parcial, e uma segundacorrente de fluxo superior, temperatura mais elevada parcial;um aquecedor de ar de serpentina de água para passagem de ar a ser aquecidopara a cãícieira, õaquecedor de ar de serpentina de água contendo pelo menos um circuitode transferência de calor em relação de transferência de calor com o ar, o circuito de trans-ferência de calor do aquecedor de ar de serpentina de água sendo conectado ao meio dedivisão para receber a primeira corrente parcial;um economizador para passagem de gás de combustão a ser resfriado para a cal-deira, o economizador contendo pelo menos um circuito de transferência de calor em rela-ção de transferência de calor com o gás de combustão, o circuito de transferência de calordo economizador sendo conectado ao circuito de transferência de calor do aquecedor de arde serpentina de água para receber a primeira corrente parcial do aquecedor de ar de ser-pentina de água;meio de mistura próximo a uma extremidade a jusante do economizador para rece-ber e reunir as primeira e segunda correntes parciais; eum conduto conectado entre o meio de divisão e o meio de mistura para passar asegunda corrente parcial para o meio de mistura.
2. Método para aperfeiçoar a diferença de temperatura média de registro para umeconomizador de uma caldeira, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:fornecer uma corrente de água de alimentação para a caldeira;dividir a corrente de água de alimentação em uma primeira corrente de fluxo demassa inferior, temperatura elevada parcial e uma segunda corrente de fluxo superior, tem-peratura mais elevada parcial;fornecer a primeira corrente parcial para um aquecedor de ar de serpentina de águapara passagem de ar a ser aquecido para a caldeira, o aquecedor de ar de serpentina deágua contendo pelo menos um circuito de transferência de calor em relação de transferênciade calor com o ar, a primeira corrente parcial sendo passada através do circuito de transfe-rência de calor do aquecedor de ar de serpentina de água;fornecer a primeira corrente parcial após ter passado através do circuito de transfe-rência de calor do aquecedor de ar de serpentina de água, para um economizador para pas-sagem do gás de combustão a ser resfriado para a caldeira, o economizador contendo pelomenos um circuito de transferência de calor em relação de transferência de calor com o gásde combustão, a primeira corrente parcial do aquecedor de ar de serpentina de água sendopassada através do circuito de transferência de calor do economizador;conduzir a segunda corrente parcial para uma extremidade à jusante do economi-zador; ereunir as primeira e segunda correntes parciais próximo da extremidade à jusantedo economizador.
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