BRPI1002102B1

BRPI1002102B1 - Arranjo de economizador e aquecedor de ar de serpentina de água integrados e método para aperfeiçoar a diferença de temperatura média de registro para um economizador de caldeira

Info

Publication number: BRPI1002102B1
Application number: BRPI1002102-7A
Authority: BR
Inventors: Brian J.Cerney; William R.Stirgwolt; Melvin J.Albrecht; George B.Brechun; Kevin R.Thomas; John E.Monacelli
Original assignee: Babcock & Wilcox Power Generation Group, Inc.
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2020-06-16
Also published as: EP2423587A3; UA102526C2; JP2010210230A; CO6320153A1; KR20100102057A; MX2010002491A; BG110614A; KR101621976B1; AU2010200805B2; US20100229805A1; CL2010000197A1; BRPI1002102A2; TWI526653B; AU2010200805A1; NZ583700A; JP5441767B2; US8286595B2; EP2423587A2; RU2522704C2; AR081600A1

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

“ARRANJO DE ECONOMIZADOR E AQUECEDOR DE AR DE SERPENTINA DE ÁGUA INTEGRADOS E MÉTODO PARA APERFEIÇOAR A DIFERENÇA DE TEMPERATURA MÉDIA DE REGISTRO PARA UM ECONOMIZADOR DE CALDEIRA”

Referência remissiva a pedido relacionado

[001] O presente pedido reivindica o benefício do pedido provisional US número de série 61/158.774, intitulado “IWE”, depositado em 10 de março de 2009, cuja revelação é pela presente incorporada a título de referência como se totalmente exposto aqui.

Campo e antecedentes da invenção

[002] A presente invenção refere-se genericamente ao campo de caldeiras e geradores de vapor e, em particular, a aquecedores de ar para aquecer ar de combustão.

[003] O aquecedor de ar tubular é o principal mecanismo de aquecimento de ar com o aquecedor de ar de serpentina de água (WCAH) como alternativa comumente utilizada. Um aquecedor de ar tubular ou WCAH é atualmente utilizado para aquecer ar de combustão a uma temperatura operacional especificada. O fluxo completo da água de alimentação da caldeira é utilizado como o meio de transferência de calor ao utilizar o WCAH como a fonte de 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 é utilizada para reduzir a temperatura do gás de combustão da caldeira. Em certos casos um aquecedor de ar tubular (TAH) em combinação com um WCAH é utilizado para obter uma temperatura de gás de saída final mais baixa. À medida que a temperatura do gás de chaminé diminui o tamanho do TAH e WCAH aumenta. O tamanho dos aquecedores de ar aumentará substancialmente à medida que a temperatura do gás cai abaixo de 162,77°C. A tecnologia atual é limitada pela temperatura de água de alimentação, temperatura de gás de chaminé, e a temperatura de ar de combustão exigida.

[004] A patente US 3.818.872 de Clayton Jr. e outros revela um arranjo para proteger, em cargas baixas, paredes de forno de um gerador de vapor após passagem tendo um circuito de recirculação, por desviar parte do fluxo de água de alimentação que entra em torno do economizador do arranjo.

[005] A patente US número 4.160.009 de Hamabe revela um aparelho de caldeira

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2/10 que contém um meio de desnitrar o qual utiliza um catalisador e que é disposto em uma região de temperatura de reação ótima para um catalisador do meio de desnitrar. Para controlar a temperatura do gás de combustão na região de temperatura de reação ótima, essa região é adaptada para comunicar-se com uma fonte de gás de temperatura elevada ou uma fonte de gás de baixa temperatura através de uma válvula de controle.

[006] A patente US 5.555.849 de Wiechard e outros revela um sistema para controle de temperatura de gás para a redução catalítica de emissões de oxido de nitrogênio onde, para manter a temperatura de um gás de combustão até a temperatura exigida para o reator catalítico de NOx durante operações de carga baixo, um pouco de fluxo de água de alimentação desvia o economizador do sistema por fornecer esse fluxo parcial a uma linha de desvio para manter uma temperatura de gás de combustão desejada para o reator catalítico.

[007] Os pedidos de patente publicados US 2007/0261646 e US 2007/0261647 de Albrecht e outros, cujas revelações são pela presente incorporadas a título de referência como se totalmente expostas aqui, revelam um economizador de múltiplas passagens e método para controle de temperatura SCR onde a manutenção de uma temperatura desejada de gás de saída de economizador através de uma gama de cargas de caldeira compreende uma pluralidade de configurações tubulares tendo superfícies que estão em contato com o gás de combustão. Cada configuração tubular pode compreender uma pluralidade de tubos de reforço ou de serpentina horizontal ou verticalmente para frente e para trás dentro do economizador, e cada configuração tubular tem uma entrada de água de alimentação separada.

[008] Tecnologias atuais fornecem tipicamente gás de combustão em ou quase na chaminé do sistema de caldeira bem acima de 148,88°C. Seria vantajoso se um sistema fosse descoberto que pudesse reduzir economicamente essa temperatura de saída de gás de combustão.

Sumário da invenção

[009] É um objetivo da presente invenção obter uma temperatura de gás de saída final mais baixa para uma caldeira do que é economicamente possível com tecnologias atu

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3/10 ais. A invenção aumenta a força de acionamento entre a água de alimentação e o gás de combustão. Essa força de acionamento aumentada melhora a transferência de calor entre a água e o gás de combustão, resultando em uma área de transferência de calor muito menor do que é necessário ao utilizar meio tradicional.

[010] Para aumentar a força de acionamento no economizador a Diferença de temperatura Média de registro (LMTD) entre a água e o gás de combustão é aumentada acima do que é possível com tecnologias atuais. Utilizando a tecnologia atual, sob certas condições a LMTD 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 porção do fluxo de água que passa através do economizador enquanto minimiza a transferência de calor que ocorre para o fluxo de água restante que passa através do economizador.

[011] De acordo com a invenção, um aquecedor de ar de serpentina de água (WCAH) e economizador integrados (juntos mencionados a seguir como ou chamados um IWE), provê múltiplas trajetórias de fluxo de água no WCAH e economizador. O fluxo total da água de alimentação entra no IWE como um fluxo único ou múltiplos fluxos. O exterior do WCAH ou após estar dentro da seção de WCAH do IWE, o fluxo de água de alimentação é dividido em duas ou mais correntes (WCAH de fluxo dividido). O fluxo é propendido entre as correntes divididas com base em condições operacionais desejadas.

[012] Os vários aspectos novos que caracterizam a invenção são indicados com particularidade nas reivindicações em anexo a e que fazem parte dessa revelação. Para melhor compreensão da invenção, suas vantagens operacionais e benefícios específicos obtidos por seus usos, faz-se referência aos desenhos em anexo e matéria descritiva que ilustram modalidades preferidas da invenção.

Breve descrição dos desenhos

Nos desenhos:

[013] A figura 1 é um diagrama esquemático de uma modalidade do IWE da presente invenção;

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[014] A figura 2 é um diagrama esquemático de outra modalidade do IWE da presente invenção;

[015] A fiugra 3 é um diagrama de blocos ainda de uma modalidade adicional do IWE da presente invenção que tem múltiplos grupos de economizador separados;

[016] A figura 4 é um diagrama esquemático ainda de uma modalidade adicional do IWE da presente invenção;

[017] A figura 5 é um diagrama esquemático de uma seção de forno de uma caldeira contendo o IWE da presente invenção, de acordo com a figura 1;

[018] A fiugra 6 é um diagrama esquemático de uma seção de forno de uma caldeira similar à fiugra 5, porém contendo o IWE de uma modalidade adicional da presente invenção; e

[019] A fiugra 7 é um diagrama esquemático de uma seção de forno de uma caldeira similar à fiugra 5 porém contendo o IWE ainda de uma modalidade adicional da presente invenção.

Descrição das modalidades preferidas

[020] Com referência agora aos desenhos, em que numerais de referência similares são utilizados para se referir a elementos iguais ou funcionalmente similares em todos os vários desenhos, a fiugra 1 mostra um aquecedor de ar de serpentina de água ou WCAH 12 e economizador ou ECON 14 integrados que juntos formam o IWE 10 da invenção. O IWE também pode ser utilizado com um economizador de múltiplas passagens 16 do tipo revelado nos pedidos de patente publicados US 2007/0261646 e US 2007/0261647, que podem receber a água de saída do economizador 14 do IWE 10.

Descrição do aparelho

[021] A entrada total de água de alimentação na entra 20 é dividida pelo meio de divisão como condutos e uma ou mais válvulas, em uma primeira corrente de fluxo de massa inferior, 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 de pelo menos um circuito de transferência de calor no WCAH 12 que contém uma por

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5/10 ção maior da superfície de transferência de calor do WCAH 12, e é utilizada para aumentar a LMTD entre a água e o gás de economizador. Isso é feito utilizando somente uma porção do fluxo total de água para aquecer o ar que passa pelo WCAH 12. Isso resulta em uma temperatura de água muito mais baixa entrando no economizador 14. A segunda corrente parcial 24 se desloca ao longo de um conduto e tem superfície de transferência de calor mínima e é utilizada para mover a maior parte da água. As duas correntes 22 e 24 passam através do economizador 14 para simplicidade de construção, de modo que as duas correntes têm algum efeito de transferência de calor para propensão do fluxo e desse modo melhor controle, e minimizar choque térmico quando as correntes são reunidas. A quantidade de fluxo em cada corrente é determinada pelo ponto de ajuste de uma válvula 26.

[022] A água em cada corrente permanece dividida por toda a seção WCAH 12 e as correntes entram na seção de economizador 14 como duas correntes separadas (corrente dividida). A água entra na seção de economizador do IWE 10 como uma corrente de fluxo de massa inferior, temperatura mais baixa 22 e uma corrente de fluxo elevado, de temperatura mais 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 utilizada como o principal meio de transferência de calor com o gás de combustão. Essa corrente 22 se desloca através da maior parte da superfície de transferência de calor tanto em WCAN 12 como em ECON 14. A corrente de fluxo elevado, temperatura elevada 24 tem superfície mínima de transferência de calor para reduzir transferência de calor com o gás combustível.

[023] Após as duas correntes 22 e 24 terem passado totalmente ou quase através da seção de economizador 14, são combinadas na seção de mistura 28 do IWE 10, isto é, dentro ou fora, porém é pelo menos próximo da extremidade à jusante do economizador 14. Essa corrente combinada então sai do IWE e é enviada em 30 através do tambor de vapor da caldeira (não mostrada) ou da saída 36 do economizador 14, através de um economizador de corrente não dividida ou economizador de múltiplas passagens 16, para trabalho adicional de transferência de calor.

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[024] Como mostrado pela linha pontilhada 32 que encerra as extremidades à montante de correntes 22 e 24 e válvula 26, a divisão na água de alimentação pode ocorrer no invólucro de aquecedor de ar de serpentina de água ou WCAH 12.

[025] Outra modalidade do IWE é ilustrada na figura 2 onde as correntes divididas 22 e 24, a válvula 26 e a seção de mistura 28, pode estar todas à montante do WCAH 12 ou, como mostrado pela linha pontilhada 34, tanto à montante do WCAH 12 como dentro do economizador 14.

[026] A figura 4 ilustra ainda uma modalidade adicional do IWE onde a corrente de fluxo de massa inferior, temperatura mais baixa 22 passou primeiramente por um circuito de permuta de calor 22a no WCAH 12 que está sendo abastecido por um fluxo ascendente de ar de combustão e, portanto, resfriado. A corrente 22 entra então em um segundo circuito de permuta de calor 22b no economizador 14 para ser aquecida pelo gás de combustão que passa para baixo no economizador, então para um terceiro circuito de transferência de calor 22c de volta no WCAH 12 para desprender calor para o ar e se aproximar da temperatura de ar, e então novamente para um quarto circuito 22d para novamente ser aquecido pelo gás de combustão antes de reunir-se com a corrente de fluxo mais elevado, temperatura mais elevada 24 na seção de mistura 28.

[027] A água de alimentação dividida à montante 20 em correntes 22 e 24 e válvula 26 são mostradas no exterior do WCAH 12 na fiugra 4 porém podem estar alternativamente dentro do WCAH 12.

[028] A figura 3 é um diagrama de blocos de outra modalidade da invenção que inclui regimes de fluxo e temperaturas exemplares bem como ilustra como uma unidade de Redução 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, está à jusante do SCR 40 e recebe a corrente de fluxo de massa inferior, temperatura mais baixa 22e 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 grupos 42, que também recebe toda a corrente de água de alimentação de regime de

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7/10 fluxo elevado, temperatura elevada 24 após ter sido reunido com a corrente 22e que sai do economizador 14 na seção de mistura 28. Válvulas 26, 46 e 48 são ajustadas para controlar as correntes 22 e 24 e sua quantidade de distribuição para os economizadores 14 e 42. Um pouco de água de alimentação pode ser também derivada em 50 para ser fornecida a um regulador de temperatura (não mostrado). O fluxo de água de alimentação recombinado do economizador 42 é então fornecido a um economizador de 1 grupo 44 que está à montante do SCR, antes de ir para o tambor de vapor em 36.

[029] A figura 3 também ilustra o fluxo de gás de combustão de contracorrente primeiramente para dentro do economizador 44 a 343,33°C, a seguir através do SCR 40 e para o economizador 42 e em um fluxo de 889, 136,07 kg/h e 256,66°C, para o economizador 14 do IWE, e finalmente em uma temperatura de gás de chaminé aceitável de 148,88°C, o fluxo de gás de combustão total é descarregado. Ar de combustão a 280,00 kg/h e 27,77°C entra no WCAH 12, é aquecido e então sai em uma temperatura de 214,44°C. Como observado acima, temperaturas e regimes de fluxo para as correntes de água de alimentação são mostrados na figura 3.

[030] As figuras 5, 6 e 7 ilustram modalidades do IWE da presente invenção em seções de forno de caldeira e também mostram condições exemplares para operação da invenção.

[031] Na figura 5, o IWE 10 com WCAH 12 e ECON 14 recebem as correntes de água de alimentação 22 e 24, divididas pela válvula 26 da entrada de água de alimentação 20, e as correntes de água de alimentação são reunidas e misturadas em 28 antes de serem fornecidas a um segundo economizador 52 onde calor adicional de entrada de gás de combustão 64 no topo da seção de forno a 343,33°C, é absorvido pela água. O fluxo de água de alimentação combinado é então fornecido em série para um terceiro economizador 54 e então um quarto economizador 56, antes de ser descarregado em 36 e em 285°C para retornar para outras seções da caldeira.

[032] Gás de combustão, agora resfriado a 148,88°C, é fornecido na saída 66 para a chaminé de forno (não mostrado).

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[033] Enquanto isso ar de combustão é fornecido por um soprador 60 para o WCAH 12 a 27,22°C, onde é aquecido a 214,44°C antes de ser fornecido como ar secundário a 62, pela água de alimentação fornecida na entrada 20, a 240°C.

[034] Um aparelho similar àquele da figura 5 é mostrado na figura 6 onde, entretanto, a água de alimentação 20 é dividida de modo que uma corrente parcial 22 passa através do WCAH 12 e a descarga de WCAH 12 é fornecida ao economizador 14 onde é reunida com a outra corrente de água de alimentação parcial 24 da válvula 26, de modo que toda água de alimentação é aquecida pelo gás de combustão que passa através do economizador 14.

[035] Na modalidade da figura 7, que é similar àquela da figura 6, exceto que somente uma corrente 22 de água de alimentação passou no economizador 14, enquanto a outra corrente 24 que tinha sido dividida da entrada de água de alimentação total 20, é reunida com a corrente 22 fora do economizador 14 em 28. Desse modo, somente uma porção da água de alimentação, isto é, corrente 22, é resfriada no WCAH 12.

Descrição adicional do processo

Trajetória de fluxo de água de alimentação:

.a água de alimentação (2) entra no limite da caldeira em temperatura e fluxo total.

.a água de alimentação entra no IWE na seção de propensão da corrente dividida WCAH (12) onde é dividida em duas correntes (22, 24). As duas correntes permanecem separadas por todo IWE (10).

.a primeira corrente (22) é passada através da maior parte dos tubos de WCAH (superfície de aquecimento).

.a segunda corrente (24) é enviada através de uma única corrente com superfície de aquecimento mínima.

.a maior parte da transferência de calor ocorre na primeira corrente que diminui a temperatura da água naquela corrente. Transferência mínima de calor ocorre na segunda corrente à medida que passa através da seção WCAH.

.as duas correntes saem da seção WCAH e entram na seção de economizador de

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9/10 corrente dividida.

.a primeira corrente passa através da maioria dos tubos de economizador (superfície de aquecimento). Essa corrente faz a maior parte do resfriamento dos gases.

.a segunda corrente passa através de um único tubo grande com superfície mínima de transferência de calor.

.após as duas correntes passarem através da seção de economizador do IWE, entram em uma seção de mistura (28).

.dentro da seção de mistura as duas correntes são misturadas juntas e então saem do IWE (10).

.após a água sair do IWE é enviada para o tambor ou outra seção(ões) de economizador como uma única corrente de fluxo.

[0 36] Trajetória de fluxo de gás de combustão:

.o gás de combustão sai da caldeira e passa através de outra superfície de transferência 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 calor ocorrendo 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

[037] A metodologia de controle para ajuste da válvula 26, e, portanto, as quantidades relativas de água de alimentação nas primeira e segunda correntes parciais 22 e 24, é similar àquela dos pedidos de patente publicados US 2007/0261646 e US 2007/0261647. De acordo com essa metodologia um algoritmo é desenvolvido para quantificar condições de estado constante teóricas, em que regimes de fluxo de massa são utilizados como entradas. O algoritmo é necessário visto que estado constante pode levar até uma hora ou mais para atingir, desse modo tornando as medições de temperatura em tempo real à jusante do economizador potencialmente enganosas caso o estado constante não seja atingido. Após atingir o estado constante, os algoritmos podem ser “aparados” (isto é, proporcionalmente

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10/10 ajustados) para compensar diferenças operacionais efetivas vs. Teóricas. O algoritmo utilizado depende do tamanho efetivo do equipamento de regimes de fluxo de massa disponíveis.

[038] Embora modalidades específicas da invenção tenham sido mostradas e descritas em detalhe para ilustrar a aplicação e princípios da invenção, será entendido que não se presente que a presente invenção seja limitada aos mesmos e que a invenção pode ser incorporada de outro modo sem se afastar de tais princípios. Por exemplo, a presente invenção pode ser aplicada à construção nova envolvendo caldeiras ou geradores de vapor, ou para a substituição, reparo ou modificação de cadeiras ou geradores de vapor existentes. Em algumas modalidades da invenção, certas características da invenção podem ser utilizadas às vezes vantajosamente sem um uso correspondente das outras características. Por conseguinte, todas essas alterações e modalidades estão compreendidas adequadamente no escopo das reivindicações que se seguem (incluindo todos e quaisquer equivalentes).

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Arranjo de economizador e aquecedor de ar de serpentina de água integrados para 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 caldeira;

meio de divisão para dividir a água de alimentação a partir da entrada para uma primeira corrente de fluxo de massa inferior, temperatura elevada 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, o aquecedor de ar de serpentina de água contendo 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 água sendo conectado ao meio de divisão para receber a primeira corrente parcial;

um economizador para passagem de gás de combustão a ser resfriado para a caldeira, o economizador contendo 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;

meio de mistura próximo a uma extremidade a jusante do economizador para receber e reunir as primeira e segunda correntes parciais; e um conduto conectado entre o meio de divisão e o meio de mistura para passar a segunda corrente parcial para o meio de mistura.
2. Método para aperfeiçoar a diferença de temperatura média de registro para um economizador 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 de mas

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2/2 sa inferior, temperatura elevada parcial e uma segunda corrente de fluxo superior, temperatura mais elevada parcial;

fornecer a primeira corrente parcial para um aquecedor de ar de serpentina de água para passagem de ar a ser aquecido para a caldeira, o aquecedor de ar de serpentina de água contendo pelo menos um circuito de transferência de calor em relação de transferência de calor com o ar, a primeira corrente parcial sendo passada através do circuito de transferência de calor do aquecedor de ar de serpentina de água;

fornecer a primeira corrente parcial após ter passado através do circuito de transferência de calor do aquecedor de ar de serpentina de água, para um economizador para passagem do gás de combustão a ser resfriado para a caldeira, o economizador contendo pelo menos um circuito de transferência de calor em relação de transferência de calor com o gás de combustão, a primeira corrente parcial do aquecedor de ar de serpentina de água sendo passada através do circuito de transferência de calor do economizador;

conduzir a segunda corrente parcial para uma extremidade à jusante do economizador; e reunir as primeira e segunda correntes parciais próximo da extremidade à jusante do economizador.