ES2234238T3 - Quemador oxigeno-combustible con tasa de carga baja. - Google Patents
Quemador oxigeno-combustible con tasa de carga baja.Info
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Abstract
Un quemador oxígeno-combustible (10) de tasa de carga baja que comprende: a. un primer conducto (12) para el paso de un oxidante; b. un segundo conducto (14) posicionado dentro de dicho primer tubo (12) para el paso de un combustible; c. una tobera de oxidante (16) fijada al extremo anterior de dicho primer conducto (12); d. una tobera de combustible 18 fijada al extremo anterior de dicho segundo conducto (14); caracterizado por e. un turbulador de combustible (68) para dicho combustible montado dentro de dicha tobera de combustible (18), incluyendo dicho turbulador un miembro alargado, comprendiendo dicho miembro alargado una broca helicoidal (74) centrada aerodinámicamente dentro de dicha tobera de combustible (18) por el combustible dentro de dicha tobera de combustible (18).
Description
Quemador oxígeno-combustible con
tasa de carga baja.
Esta invención se refiere en general a un
quemador oxígeno-combustible con tasa de carga
baja. Más particularmente, esta invención se refiere a un quemador
oxígeno-combustible con tasa de carga baja para uso
en aplicaciones de tasa de carga baja tales como pequeños
reactores, retortas, crisoles, hornos, sistemas de distribución de
vidrio fundido, alimentadores y refinadores.
Los quemadores de tasa de carga baja (hasta
aproximadamente 1.000.000 Btu/h (252.000 Kcal/h) son útiles en
muchos tipos de aplicaciones de calentamiento. Un uso
particularmente ventajoso de tales quemadores es en los sistemas de
distribución de vidrio fundido tales como antecrisoles de hornos de
vidrio.
En la producción de objetos de vidrio, el vidrio
fundido se produce en un horno de fusión de vidrio en el cual se
funden las materias primas para la fabricación del vidrio. El
vidrio fundido se pasa desde el horno de fusión del vidrio a través
de un sistema de distribución del vidrio a la sección de
procesamiento o alimentador para una máquina de conformación en la
cual el vidrio fundido se procesa en la forma o artículo de vidrio
deseado(a).
El sistema de distribución del vidrio puede
incluir canales de distribución, alimentadores y antecrisoles. Los
antecrisoles típicos están diseñados para recibir vidrio fundido
procedente del horno y transportarlo a la sección o máquina de
procesamiento del vidrio y acondicionar el vidrio a medida que se
transporta el mismo de tal manera que el vidrio sea adecuado para
el procesamiento. Los antecrisoles pueden incluir generalmente un
canal refractario a lo largo del cual fluye el vidrio fundido y que
está cubierto con un techo aislante.
Un antecrisol puede incluir también dos
secciones, una sección de enfriamiento para recibir el vidrio
fundido y una sección de igualación desde la cual el vidrio fundido
sale a la sección de procesamiento o alimentador. La sección de
enfriamiento sirve para enfriar o calentar el vidrio fundido a la
temperatura requerida para el procesamiento. Sin embargo, se sabe
que la temperatura del vidrio no es homogénea en toda su sección
transversal durante el desplazamiento a lo largo de la sección de
enfriamiento. El vidrio tiende a estar más frío en los bordes
exteriores y más caliente en la porción central debido al efecto de
enfriamiento de la pared lateral del canal. Por esta razón, se
proporcionan medios de calentamiento tales como quemadores de gas
en el costado de la sección de enfriamiento para calentar el
vidrio. Puede soplarse también aire de refrigeración a la sección
de enfriamiento del antecrisol por encima del vidrio fundido para
enfriar el vidrio particularmente en la porción central. Por ajuste
de las tasas de calentamiento y enfriamiento, puede mejorarse la
homogeneidad de la temperatura del vidrio a través de la sección
transversal del vidrio en la sección de enfriamiento del
antecrisol.
El vidrio fundido fluye desde la sección de
enfriamiento a la sección de igualación del antecrisol. La sección
de igualación sirve para recalentar el vidrio fundido,
particularmente la superficie exterior, en el caso de que la misma
esté demasiado fría después de salir de la sección de enfriamiento.
La sección de igualación utiliza sólo típicamente calentamiento
proporcionado por medios de calentamiento tales como quemadores
dispuestos en el interior de las paredes de dicha sección del
antecrisol. La temperatura en la sección de igualación se controla
con independencia de la temperatura de la sección de
enfriamiento.
Los sistemas tradicionales para calentamiento del
vidrio en un sistema de antecrisol utilizan quemadores de
combustión que tienen un diseño de premezcla en el cual el
combustible, por ejemplo gas natural, y el aire de combustión se
mezclan previamente en la relación estequiométrica correcta antes
de entrar en el quemador. Por ejemplo, la patente U.S. No.
5.169.424 muestra en líneas generales una estructura de antecrisol
en la cual quemadores gas-aire proporcionan calor
al vidrio fundido que fluye a lo largo del antecrisol. La patente
U.S. No. 4.662.927 muestra generalmente un canal de distribución
del vidrio en el cual quemadores combustible/aire proporcionan una
llama para calentamiento del espacio por encima del vidrio fundido
fluyente. La patente U.S. No. 4.708.728 está dirigida al uso de
quemadores combustible-aire con mezcla previa para
calentamiento de un canal de distribución del vidrio en los cuales
el quemador tiene un tubo capilar dispuesto coaxialmente en su
interior y que se extiende más allá del extremo del quemador para
alimentar oxidante a la mezcla combustible-aire.
Sin embargo, el uso de quemadores
aire-combustible con mezcla previa para sistemas de
distribución del vidrio tales como canales y antecrisoles no es
totalmente satisfactorio. Tales quemadores proporcionan una
eficiencia de combustible muy pobre y, debido al alto volumen de
los gases de combustión, las emisiones asociadas son muy altas.
Adicionalmente, los cambios de día a noche en la temperatura del
aire de combustión causan fluctuaciones en la temperatura global de
la llama. Por ello, la temperatura del proceso puede variar con la
hora del día o la noche. La mayoría de los sistemas de antecrisol
requieren un control preciso de la temperatura del vidrio, tan
pequeño como 1º ó 2ºF (0,55º o 1,1ºC) o menos, lo que es difícil de
alcanzar con los quemadores aire-combustible.
Otra desventaja del sistema de combustión
aire-combustible con mezcla previa es la relación de
reducción muy limitada que, a su vez, limita el nivel de control en
el antecrisol en respuesta a una señal de control de temperatura
para aumentar o disminuir la entrada de combustible. La relación de
reducción, es decir, la tasa de carga alta del quemador dividida
por la tasa de carga baja del quemador, para un quemador
aire-combustible con mezcla previa es sólo
aproximadamente 4:1 debido a que las velocidades de la llama
aire-gas con mezcla previa que son demasiado bajas
pueden dar como resultado retroceso de la llama, mientras que las
velocidades que son demasiado altas soplarán la llama lejos de la
tobera del quemador.
Para resolver estos problemas, la práctica actual
consiste en reemplazar los quemadores
aire-combustible con mezcla previa con quemadores
oxígeno-combustible 100%. Por ejemplo, las patentes
U.S. Núms. 5.500.030, 5.405.082, 5.256.058 y 5.199.866 muestran
diversas disposiciones de quemadores
oxígeno-combustible con diseño de tubo en tubo para
aplicaciones de antecrisol. Sin embargo, el uso de toberas
concéntricas de combustible y oxígeno presenta varios problemas de
proceso e ingeniería para tasas de carga pequeñas.
Los quemadores
oxígeno-combustible de
tubo-en-tubo producen un núcleo de
llama rico en combustible en el centro que está rodeado por un
flujo anular de oxígeno. El núcleo central rico en combustible se
deja mezclar con la corriente exterior de oxígeno muy gradualmente.
La mezcladura retardada entre el combustible y el oxígeno
co-fluyentes hace que algo del combustible (gas
natural) se craquee o se disocie en partículas de hollín. Este
combustible rico en hollín se quema más tarde con el oxígeno para
producir una llama muy luminosa. La mayoría de las aplicaciones de
antecrisol requieren una llama no luminosa que tenga una radiación
visible mínima para minimizar cualquier huella de la llama sobre la
carga. Una llama luminosa o región visible clara puede causar un
calentamiento irregular y gradientes de temperatura indeseables en
fluido fundido. El objetivo de la llama del quemador del antecrisol
es simplemente proporcionar gases de llama calientes procedentes de
llama no luminosa que son capaces de proporcionar un flujo de calor
uniforme de longitudes de onda ultravioleta e infrarroja a la
superestructura del antecrisol. La irradiación de este calor por
retroceso al vidrio fundido proporciona un calentamiento uniforme
indirecto y no el calentamiento directo de llama a vidrio realizado
con la llama luminosa. El calentamiento uniforme es necesario para
proporcionar la homogeneidad en el baño de vidrio fundido, lo que
da como resultado un producto final de vidrio de calidad
satisfactoria.
Adicionalmente, el diseño de tubo en tubo que
utiliza un solo orificio central para la tobera de gas natural y
un conducto anular para la tobera de oxígeno proporciona una llama
muy larga. Desde un aspecto de diseño del antecrisol, las llamas
largas son indeseables. Los antecrisoles son canales relativamente
estrechos. Es difícil caldear un quemador con una longitud de llama
muy larga sin incidencia sobre la pared o estructura del
refractario opuesta y posible deterioro de la misma. Asimismo,
dependiendo del diseño del antecrisol, las llamas largas podrían
eliminar la posibilidad de instalación de un quemador en una
localización correspondiente en la pared lateral opuesta.
Una opción para resolver estos problemas consiste
en diseñar un quemador con velocidades de combustible y oxidante muy
altas para aumentar la mezcladura y reducir la longitud de la
llama. Sin embargo, este enfoque tiene limitaciones prácticas. La
perforación de un pequeño orificio para la tobera de combustible a
fin de aumentar la velocidad podría dar como resultado atascamiento
debido a partículas de hollín u otra materia particulada. El
conducto anular para el oxígeno no puede reducirse en la práctica
hasta valores mucho más pequeños sin causar problemas en la
concentricidad de las toberas de combustible y oxígeno. Una tobera
de combustible obstruida o mal alineada o un conducto anular de
oxígeno no uniforme pueden crear una llama inestable de flujo
térmico fluctuante, afectando con ello al proceso de calentamiento
y la calidad del producto final.
Además, la perforación de un orificio más pequeño
por ejemplo por taladro con láser y la utilización de superficies
mecanizadas para crear un conducto anular muy pequeño, dará como
resultado un coste de fabricación relativamente alto para un
quemador. En muchas aplicaciones de antecrisol es necesaria una
gran cantidad de quemadores, y los elevados costes de fabricación
para un quemador podrían hacerlos prohibitivamente costosos para
uso en tales aplicaciones. Desde un punto de vista económico, es
necesario un quemador simple que es relativamente barato y que
tiene la capacidad de generar una llama corta y no luminosa para el
uso generalizado en aplicaciones de antecrisol.
A la vista de lo que antecede, es un objeto de la
presente invención proporcionar un quemador
oxígeno-combustible con tasa de carga baja
mejorado.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar un quemador oxígeno-combustible con
tasa de carga baja mejorado para uso en aplicaciones de tasa de
carga baja tales como pequeños reactores, retortas, crisoles,
hornos, antecrisoles, y refinadores.
Otro objeto adicional de la presente invención es
proporcionar un quemador oxígeno-combustible con
tasa de carga baja para uso con sistemas de distribución de vidrio
fundido.
Otro objeto adicional de la presente invención es
proporcionar un quemador oxígeno-combustible con
tasa de carga baja que tiene un diseño sencillo.
Un objeto adicional de la presente invención es
proporcionar un quemador oxígeno-combustible con
tasa de carga baja que es relativamente económico de fabricar.
Otro objeto adicional de la presente invención es
proporcionar un quemador oxígeno-combustible con
tasa de carga baja para uso con sistemas de distribución de vidrio
fundido que proporcionará gases de llama calientes desde una llama
no luminosa.
Otro objeto adicional de la presente invención es
proporcionar un quemador oxígeno-combustible con
tasa de carga baja para uso con sistemas de distribución de vidrio
fundido que es capaz de producir un flujo uniforme de calor dentro
del sistema de distribución.
Estos y otros objetos y ventajas de la presente
invención pueden alcanzarse de acuerdo con la presente invención
por la provisión de un quemador oxígeno-combustible
de acuerdo con la reivindicación 1.
La presente invención puede comprenderse mejor
haciendo referencia a la descripción detallada siguiente y a los
dibujos que se acompañan, en los cuales:
La Figura 1 es una vista lateral, parcialmente en
corte, de un quemador oxígeno-combustible
construido de acuerdo con la presente invención;
La Figura 2 es una vista ampliada parcialmente en
corte, del extremo anterior del quemador de la Figura 1;
La Figura 3 es una vista en corte tomada a lo
largo de las líneas 3-3 de la Figura 2;
La Figura 4 es una vista en alzado ampliada del
turbulador de combustible para el combustible que está posicionado
en el extremo anterior del quemador de la Figura 1;
La Figura 5 es una vista en corte tomada a lo
largo de las líneas 5-5 de la Figura 4; y
La Figura 6 es una vista en corte transversal que
ilustra un antecrisol con el cual puede utilizarse el quemador de
la presente invención
Haciendo referencia a los dibujos, y
particularmente a la Figura 1, el quemador
oxígeno-combustible 10 de la presente invención
incluye generalmente un conducto de oxidante 12 y un conducto de
combustible 14 concéntrico con y en el interior del conducto de
oxidante 12. El extremo anterior del conducto de oxidante 12 está
provisto de una punta o tobera 16 de oxidante a través de la cual
sale el oxidante. El extremo anterior del conducto de combustible
14 está provisto de una punta o tobera 18 de combustible a través
de la cual sale el combustible.
De modo más específico, el conducto de oxidante
12 incluye una conducción tubular 20, con preferencia tubo de
acero inoxidable disponible comercialmente, que tiene una porción
22 exterior con extremo posterior roscado que está recibida a rosca
dentro de un taladro roscado 24 en la salida 26 en un extremo de la
porción de barra transversal de un miembro en T 28. El miembro en T
28 es preferiblemente una te de tubo hembra estándar, disponible
comercialmente. Como un diseño alternativo, el miembro en T 28
puede ser una te hembra soldada estándar, disponible
comercialmente, y el conducto de oxidante 12 puede ser un tubo
recto sin roscas en su porción del extremo posterior. El extremo
anterior 30 del conducto de oxidante 12 está provisto de roscad
externa, a la cual está roscada la punta o tobera 16 del oxidante.
Esta rosca puede ser rosca de tubo o rosca de máquina.
El conducto de combustible 14 incluye un miembro
tubular alargado 32 posicionado coaxialmente dentro del conducto
tubular de oxidante 12. El conducto de combustible 14 es
preferiblemente tubo de acero inoxidable y tiene un diámetro
externo menor que el diámetro interior del conducto de oxidante 12
para proporcionar una vía de paso 34 anular de oxidante que se
extiende axialmente entre el conducto de combustible 14 y el
conducto de oxidante 12 a través del cual fluye el oxidante.
El conducto de combustible 14 se extiende a
través del miembro en T 28 y sale por una entrada 36 de la porción
de barra transversal del miembro en T 26. Un accesorio de
compresión 38 taladrado rodea el conducto de combustible 12 y está
roscado dentro de la entrada 36 roscada internamente de la porción
de barra transversal del miembro en T 28. El accesorio de
compresión 38 proporciona un cierre por compresión hermético
alrededor de la periferia exterior del conducto de combustible 14
de tal modo que el área entre la periferia exterior del conducto de
combustible 14 y la entrada 36 del miembro en T 28 está cerrada
herméticamente, sellando con ello eficazmente la entrada 36 del
miembro en T 28 contra la atmósfera. Alternativamente, puede
utilizarse un accesorio de compresión soldado y taladrado como el
accesorio 38 y la conexión entre el accesorio 38 y el miembro en T
28 puede estar soldada.
El extremo posterior del conducto de combustible
14 que sobresale de la entrada 36 de la porción de la barra
transversal del miembro en T 28 está provisto de una desconexión
rápida 40. Un miembro de la desconexión rápida está conectado al
conducto de combustible 14 por medio de un accesorio tubular de
compresión 41. El otro miembro 42 de la desconexión rápida está
conectado a rosca a una tubería de combustible 44. Cuando está
conectada, la desconexión rápida 40 sirve para unir la tubería de
combustible 44 al quemador 10. La línea de combustible 44 está
unida a una fuente adecuada de combustible (no representada).
Una desconexión rápida 46 incluye un primer
miembro 47 que está roscado en la entrada roscada 48 de la porción
de vástago del miembro en T 28 como se muestra en la Figura 1.
Alternativamente, una desconexión rápida por soldadura puede estar
soldada a la T de soldadura. Un segundo miembro 49 de la
desconexión rápida 46 está unido a rosca a una línea de oxidante
50. El otro extremo de la línea de oxidante está unido a una fuente
adecuada de oxidante (no representada). Cuando los dos miembros 47
y 49 de la desconexión rápida 46 están conectados, la desconexión
rápida 46 sirve para unir la línea de oxidante 50 al quemador 10.
Ambas desconexiones rápidas 40 y 46 son preferiblemente
desconexiones rápidas estándar de acero inoxidable, disponibles
comercialmente.
La punta o tobera 16 de oxidante incluye un
taladro de escariado 52 roscado internamente que está roscado al
extremo anterior 30 roscado externamente del conducto de oxidante
12. Un taladro reducido 54 está provisto en el extremo anterior de
la punta o tobera 16 del oxidante, coaxial con el taladro de
escariado agrandado 52, y en comunica con el mismo, y de diámetro
interior menor que el contra-taladro 52.
Preferiblemente, la punta o tobera 16 del oxidante constituye un
adaptador macho-hembra estándar, disponible
comercialmente, que tiene la forma arriba descrita. El
contra-taladro 52 de la punta o tobera 16 del
oxidante puede estar provisto de roscas de tubo o roscas de máquina
que engranan con el extremo anterior 30 roscado análogamente del
conducto de oxidante 12.
La punta o tobera de combustible 18 comprende un
miembro de tobera alargado 56 unido al extremo anterior del
conducto de combustible 14 y posicionado concéntricamente en el
taladro reducido 54 de la punta o tobera 16 del oxidante. El miembro
de tobera alargado 56 tiene un taladro axial 58 de sección
transversal circular que se extiende a su través con la porción del
extremo posterior del taladro 58 abocardada hacia fuera para
proporcionar una superficie ahusada 60 que define un tronco de
cono. La punta o tobera de combustible 18 es preferiblemente un
adaptador estándar de alta presión de acero inoxidable, disponible
comercialmente, con un accesorio 62 tubular de compresión para
unión al extremo anterior del conducto de combustible 14. Dicho
adaptador estándar de alta presión incluye el miembro de tobera 56
alargado con el taladro 58 y la superficie ahusada 60 y el
accesorio de compresión 62.
Un miembro de centrado 64 para el conducto de
combustible 14 está provisto en el extremo anterior del conducto de
combustible 14 dentro del conducto de oxidante 12. El miembro de
centrado 64 es preferiblemente una tuerca hexagonal 66 que es un
componente del accesorio de compresión 62 utilizado para unir la
punta o tobera de combustible 18 al conducto de combustible 14. El
miembro de centrado 64 tiene un diámetro máximo ligeramente menor
que el diámetro interior del conducto de oxidante 12 de tal modo
que el mismo puede ajustarse dentro del conducto de oxidante 12
pero proporcionando todavía el soporte para mantener el conducto de
combustible 14 en alineación coaxial con el conducto de oxidante
12. El miembro de centrado 64 tiene que proporcionar una
continuación de la vía de paso axial 34 para el paso del oxidante.
Como se muestra en la Figura 3, la provisión de la tuerca hexagonal
66 proporciona inherentemente una vía de paso 34 de este tipo
debido a la forma de su sección transversal.
Un turbulador de combustible 68, para impartir un
movimiento turbulento al combustible está posicionado en el
taladro 58 de la punta o tobera de combustible 18. El turbulador de
combustible 68 tiene una forma aerodinámica de tal modo que el mismo
está suspendido dinámicamente en el fluido dentro del taladro 58 y
se vuelve con ello autocentrante cuando el combustible fluye a lo
largo del turbulador 68 de combustible a través del taladro 58. El
turbulador de combustible 68 tiene la forma de un miembro alargado
que está provisto de al menos una ranura o canal helicoidal 70 que
se extiende axialmente para impartir un movimiento de rotación al
combustible a medida que el mismo pasa axialmente a través del
taladro 64 a lo largo del turbulador de combustible 66 y sale por
la punta o tobera de combustible 18. Un retenedor 72 en el extremo
posterior del turbulador de combustible 68 engrana la superficie
ahusada 60 del taladro 58 y restringe el turbulador de combustible
68 contra el movimiento axial hacia adelante.
Como se muestra particularmente en las Figuras 4
y 5, el turbulador de combustible 68 comprende preferiblemente una
broca helicoidal estándar 74 de un diámetro predeterminado que es
menor que el diámetro del taladro 58 de la punta o tobera 18 de
combustible. La ranura o canal helicoidal 70 del turbulador de
combustible 68 se provee por la estría o estrías 76 convencionales
en forma de hélice de la broca helicoidal 74 que hacen que el
combustible gire alrededor de la broca en un movimiento turbulento
a medida que el combustible avanza axialmente a través del taladro
58 a lo largo de la broca helicoidal 74.
El retenedor 72 tiene preferiblemente la forma de
una arandela de retención estándar 78 que tiene aberturas 80 de
flujo anulares espaciadas a su través para permitir el paso del
combustible. La arandela de retención 78 tiene un taladro central
82 a través del cual se extiende la broca helicoidal 74. Una
pluralidad de ranuras anulares espaciadas 84 que se extienden
radialmente pueden extenderse en dirección radial fuera del taladro
82 para permitir que el área situada alrededor del taladro central
82 salte hacia fuera cuando la arandela de retención 78 se inserta
en la broca 74 para formar dedos de resorte 86 que agarran la broca
74. Una ranura circular poco profunda (no representada) puede estar
provista alrededor de la periferia de la broca helicoidal 74 en la
cual los extremos libres de los dedos de resorte 86 pueden
extenderse cuando la arandela de retención 78 se monta en la broca
helicoidal 72.
La broca helicoidal 74, con la arandela de
retención 78 unida, está posicionada dentro del taladro 58 en la
punta o tobera de combustible 18, estando posicionada la superficie
anterior de la arandela de retención 78 contra la superficie
ahusada 60 del taladro 58. La arandela de retención 78 está montada
sobre la broca helicoidal 74 en un punto situado atrás respecto al
extremo posterior de la estría o estrías 76 y está posicionada
longitudinalmente a lo largo de la broca helicoidal 74 de tal
manera que, cuando la broca helicoidal 74 se ensambla dentro de la
punta o tobera 18 de combustible con la arandela de retención 78
posicionada contra la superficie ahusada 60 del taladro 58, la
punta anterior 88 de la broca helicoidal queda retenida en una
porción enrasada con el plano del extremo anterior 90 de la punta o
tobera de combustible 18.
Un turbulador de oxidante 92 para impartir un
movimiento turbulento al oxidante está provisto dentro de la punta
o tobera 16 de oxidante en el extremo anterior del conducto de
oxidante 12. El turbulador de oxidante 92 comprende preferiblemente
un miembro de resorte convencional helicoidal 94 con el diámetro de
alambre requerido y un número predeterminado de vueltas
helicoidales. El miembro de resorte helicoidal 94 está montado en
el taladro 54 de la punta o tobera 16 del oxidante y rodea la punta
o tobera 18 del combustible. El diámetro del alambre del miembro de
resorte helicoidal 94 debería ser tal que el mismo sea
sustancialmente igual a la distancia entre la pared del taladro 54
en la punta o tobera de oxidante 16 y la superficie exterior del
miembro alargado 56 de la punta o tobera 18 del combustible para
prevenir que el oxidante fluya directamente a través de la punta o
tobera 16 del oxidante sin que se imparta el movimiento de rotación
apropiado al flujo de oxidante. Un tornillo de ajuste 96 está
roscado dentro de la punta o tobera 16 del oxidante adyacente al
extremo anterior del mismo y se extiende dentro del taladro 54 de
la punta o tobera 16 del oxidante. El tornillo de ajuste 96
proporciona un tope anterior para el resorte helicoidal 92. El
extremo posterior del resorte helicoidal está apoyado contra la
porción hexagonal 98 agrandada de la punta o tobera 18 del
combustible.
Durante el funcionamiento, la tubería de
combustible 44 está conectada a una fuente de combustible adecuada.
El combustible puede ser un hidrocarburo gaseoso adecuado tal como
gas natural, metano o propano. La fuente de combustible puede ser
un recipiente de almacenamiento adecuado o la línea de combustible
puede estar conectada directamente a una conducción o distribuidor
de combustible de entrada.
La línea de oxidante 50 está conectada a una
fuente de oxidante adecuada. El oxidante puede ser cualquier
oxidante adecuado que contenga entre 21% y 100% de oxígeno. De
acuerdo con ello, tal como se utiliza en esta memoria, el término
"oxi" u "oxidante" debe entenderse con el significado de
cualquier oxidante gaseoso que tenga al menos 21% de oxígeno. Una
fuente de oxidante es preferiblemente un oxidante de calidad
comercial que está disponible in situ y almacenado en
envases adecuados. El oxidante puede suministrarse también desde
otras fuentes tales como oxígeno comercial diluido con aire.
La tubería de combustible 44 procedente de la
fuente de combustible se conecta al quemador 10 a través de la
desconexión rápida 40. La tubería de oxidante 50 procedente de la
fuente de oxidante se conecta al quemador 10 a través de la
desconexión rápida 46.
El combustible gaseoso fluye a través de la
tubería 44 hasta el quemador 10 y a través del conducto de
combustible 14 hasta la tobera o boquilla del combustible 16 donde
el mismo sale al quemador 10. El turbulador de combustible 68
imparte un movimiento rotacional o de turbulencia al combustible a
medida que el mismo sale de la punta 16. Dado que el peso del
turbulador de combustible 68, especialmente en la forma de la broca
helicoidal 74, es pequeño en comparación con las fuerzas
aerodinámicas ascensionales creadas por la corriente de combustible
que fluye a través de sus conductos helicoidales 76, el turbulador
de combustible 68 está suspendido dinámicamente en el flujo de
combustible gaseoso y está centrado dentro del taladro 64.
El turbulador de combustible 68 sirve también
para reducir el tamaño del orificio de la tobera de combustible,
aumentando con ello la velocidad del combustible para velocidades
de combustión bajas. De este modo, se crea un flujo de combustible
a alta velocidad con un coste relativamente bajo, sin necesidad de
los métodos de fabricación de perforaciones con láser o mecánicas
relativamente costosos que podrían ser requeridos para crear un
orificio muy pequeño en la tobera propiamente dicha.
Adicionalmente, el uso de un pequeño orificio en la tobera está
sujeto a obstrucción por hollín o material particulado. La tobera o
punta 18 del combustible y el turbulador del combustible 68 como
se describen en esta memoria pueden fabricarse a bajo coste y
reducen sustancialmente la posibilidad de atascamiento por hollín o
material particulado.
El oxidante fluye desde la tubería 50 al miembro
en T 28 y luego a través del conducto de oxidante 12 hasta la vía
de paso 34 entre la pared interior del conducto de oxidante 12 y la
pared exterior del conducto de combustible 14. El oxidante pasa a
través de la punta o tobera 16 del oxidante y sale al quemador 10.
A medida que el oxidante pasa a través de la punta o tobera 16 del
oxidante, el turbulador del oxidante 92, en la forma del resorte
helicoidal 94, imparte un movimiento rotacional o de turbulencia al
oxidante a medida que el mismo sale por la punta anterior del
quemador 10. El chorro turbulento de combustible se mezcla con el
núcleo exterior de oxidante turbulento y crea una condición
perfectamente agitada para una combustión rápida. Cuando se desea
una llama más larga, el quemador 10 puede hacerse funcionar sin el
turbulador de oxidante 92. Sin el turbulador de oxidante 92, el
quemador 10 producirá una llama más larga debido a una mezcladura
menos intensa.
El quemador 10 de la presente invención tal como
se describe arriba puede estar hecho de componentes stock estándar
disponibles comercialmente. El miembro en T 28 puede ser un
accesorio estándar de tubo disponible comercialmente o un accesorio
soldado. El conducto de combustible 14 puede ser una tubería
estándar de acero inoxidable que tenga un diámetro de ¼'' (6,35
mm), 3/8'' (9,53 mm), ½'' (12,7 mm), 5/8'' (15,88 mm) o ¾'' (19,05
mm). El conducto de oxidante 12 puede ser preferiblemente tubo
estándar de acero inoxidable, de protocolo 30 ó 40, y que tiene un
diámetro nominal tal como ¼'' (6,35 mm), 3/8'' (9,53 mm), ¾''
(19,05 mm), 1'' (25,4 mm) o 1-1/4'' (31,75 mm). La
punta o tobera 16 del oxidante puede ser un adaptador estándar
macho-a-hembra y la punta o tobera
18 del combustible puede ser una adaptador estándar de alta
presión con accesorio tubular de compresión. El accesorio de
compresión 38 utilizado para cerrar herméticamente el miembro en T
28 puede ser un accesorio estándar de compresión taladrado que está
disponible fácilmente en el comercio y las desconexiones rápidas 40
y 46 pueden ser también artículos de stock disponibles
comercialmente. El uso de una broca helicoidal estándar 74 para el
turbulador de combustible 70 y un resorte helicoidal estándar 94
disponible comercialmente para el turbulador de oxidante 92
aprovecha también artículos disponibles fácilmente. Como resultado,
no es necesaria soldadura o mecanización alguna de ninguno de los
componentes del quemador, lo que conduce a un diseño de quemador
eficaz en costes. No obstante, si el coste de fabricación es menos
importante, las conexiones entre el miembro en T 28 y el accesorio
de compresión 38 y la conexión rápida 46 pueden estar soldados. Aun
cuando estas conexiones estén soldadas, la conexión de la punta o
tobera 16 del oxidante con el conducto 12 del oxidante deberían ser
preferiblemente roscadas, y la conexión entre la punta o tobera 18
del combustible y el conducto de combustible 14 deberían mantenerse
como un accesorio de compresión, para facilitar el cambio de las
toberas 16 y 18 para condiciones de flujo diferentes.
A modo de ejemplo, un quemador específico 10
diseñado para una tasa de carga comprendida entre 2.000 y 12.000
Btu/h (504 y 3024 Kcal/h) [2 a 12 scfh (pies cúbicos estándar/h) de
tasa de flujo de combustible (53,5 a 321 litros normales/hora,
1N/h) y una tasa de flujo de oxidante de 4 a 24 scfh (107 a 642
1N/h)] puede utilizar un tubo de protocolo 40 de ¼'' (6,35 mm) como
el conducto de oxidante 12 y un tubo de ¼'' (6,35 mm) de diámetro,
con espesor de pared 0,035'' (0,89 mm), para el conducto de
combustible 14. El adaptador de alta presión utilizado para la
punta o tobera 18 de combustible puede ser una pieza Swagelok
SnoTrik
#SS-441-A-400 que
tiene un diámetro de taladro de 0,060 pulgadas (1,52 mm). El
adaptador de macho-a-hembra
utilizado para la punta o tobera 16 del oxidante puede ser una
pieza Swagelok #SS-8-A. El
turbulador de combustible 68 puede ser una broca helicoidal 74 de
3/64'' (1,19 mm) de diámetro. Los diámetros de la broca helicoidal
74 y el taladro 58 en la tobera de combustible 18 crean el anillo
apropiado para el paso del combustible de tal modo que se crean las
fuerzas aerodinámicas ascensionales apropiadas para centrar
perfectamente la broca helicoidal 74 dentro del taladro 58 en la
punta o tobera 16 del combustible. El turbulador de oxidante 92
puede ser un resorte helicoidal de 7/16'' (11,11 mm) de diámetro
exterior con 0,080'' (2,03 mm) de diámetro de alambre, que tiene
una longitud de 5/8'' (15,88 mm).
Cuando un quemador 10 como el arriba construido
se encendió con una tasa de carga de gas natural de 2 a 12 scfh
(53,5 a 321 1N/h) y un flujo de oxidante de 4 a 24 scfh (107 a 642
1N/h), la llama del quemador era no luminosa y tenía una longitud
aproximada de 5'' (12,5 cm) a 7'' (17,5 cm) en toda la gama de
carga. El color de la llama oxígeno-combustible de
alto impulso era azul en toda la gama de carga con pocos destellos
amarillos en el extremo inferior de la gama de carga. Las boquillas
de combustible y oxidante del quemador se mantenían frías al
tacto. El chorro de gas natural era claramente visible con un
patrón de flujo turbulento a la salida de la boquilla. El chorro de
gas natural axial-tangencial se mezclaba
inmediatamente con el núcleo exterior del oxidante turbulento y
creaba condiciones perfectamente agitadas para una combustión
rápida. La llama resultante adquiría con ello un color azul en una
longitud relativamente corta debido a la combustión completa. La
llama estaba anclada a la broca helicoidal 74, pero debido a las
velocidades de combustión mayores, tenía lugar muy poca combustión
en la boquilla y la punta de la broca no se calentaba excesivamente
en ningún momento. Además, debido a las altas conducción y
convección axiales por la broca helicoidal suspendida 74 en la
corriente de gas natural, la boquilla de combustible no acumulaba
nunca calor en toda la gama de carga. La broca helicoidal 74
proporcionaba estabilidad a la llama debido al anclaje activo de la
llama en la punta de la broca. Así, la punta de la broca centrada
dinámicamente en el fluido actuaba como un estabilizador de la
llama al mismo tiempo que proporcionaba un centrado perfecto para
controlar el tamaño del orificio del gas natural al tiempo que
ofrecía la generación de turbulencia necesaria para la formación de
una llama no luminosa.
Aunque el quemador descrito arriba estaba
diseñado para tasas de carga entre 2000 y 12000 Btu/h (504 y 3024
Kcal/h), el quemador de la presente invención puede utilizarse para
tasas de carga de hasta 1.000.000 Btu/h (252.000 Kcal/h). Los
quemadores utilizados en los antecrisoles de fibra de vidrio operan
típicamente a menos de 30.000 Btu/h (7.560 Kcal/h), mientras que
los quemadores utilizados en los antecrisoles de vidrio para
envases pueden operar a hasta 100.000 Btu/h (25.200 Kcal/h). En
otras aplicaciones de calentamiento industriales, el quemador de la
presente invención puede utilizarse para operar a tasas de carga
mayores, hasta 1.000.000 Btu/h (252.000 Kcal/h).
Para diseñar quemadores que quemen a tasas de
carga diferentes, una filosofía de diseño consiste en utilizar un
enfoque de "velocidad similar" para el combustible. Dado que
el flujo de combustible es complejo a causa de la turbulencia del
chorro de combustible, la velocidad axial real del combustible es
difícil de calcular. Sin embargo, puede calcularse una velocidad de
chorro de combustible axial hipotética suponiendo que todo el flujo
de combustible es axial. En el ejemplo anterior, la velocidad
hipotética máxima del chorro de combustible axial a la salida de la
tobera de combustible es aproximadamente 435 pies por segundo (132,6
m/s). Esta velocidad puede utilizarse como la velocidad hipotética
máxima del chorro de combustible axial en el diseño de quemadores
para operar a tasas de carga más altas. El tamaño de la tobera de
oxígeno, la tobera de combustible, y/o el turbulador de combustible
pueden seleccionarse entonces de tal modo que aumente el caudal
volumétrico del combustible y el oxidante a fin de aumentar la tasa
de carga, al tiempo que mantienen la tasa de flujo de combustible
por debajo de la velocidad hipotética máxima de chorro de
combustible axial descrita.
El quemador 10
oxígeno-combustible de tasa de carga baja de la
presente invención puede utilizarse en muchos tipos de aplicaciones
industriales de calentamiento tales como pequeños reactores,
retortas, crisoles, hogares, sistemas de distribución de vidrio
fundido, alimentadores y refinadores. El quemador
oxígeno-combustible 10 de la presente invención es
especialmente adecuado para uso a fin de proporcionar calor a un
sistema de distribución de vidrio fundido tal como antecrisoles,
canales de distribución y análogos.
Un antecrisol 100 típico con el cual puede
utilizarse el quemador 10 de la presente invención se muestra en la
Figura 6. El antecrisol 100 puede incluir generalmente un canal o
cubeta en forma de U 102 de material refractario
soportado(a) por una superestructura metálica 104. La cubeta
102 está apoyada en y rodeada por ladrillos aislantes 106 que están
soportados a su vez por la superestructura metálica 104.
Una porción de techo 108 cubre el canal o la
cubeta 102 e incluye lados opuestos 110 formados por los bloques
del quemador 112 y bloques de techo 114 que se extienden sobre la
cubeta entre los bloques del quemador 112. Pueden estar provistos
ladrillos aislantes 116 alrededor de la periferia exterior de los
bloques de techo 114. El vidrio fundido 117 fluye a lo largo de la
cubeta 102 como se muestra. El bloque de techo 114 puede incluir
dos proyecciones separadas 118 que se extienden hacia abajo hasta
el vidrio fundido 116 por debajo de la línea de centros de los
bloques del quemador. Las proyecciones separadas 118 forman un
canal central 120 sobre la porción central de la corriente de vidrio
fundido 116 y los canales laterales 122 y 124 sobre porciones
laterales respectivas de la corriente de vidrio fundido. Como es
típico en el diseño de antecrisoles, puede proporcionarse aire de
refrigeración a lo largo del canal central 120.
Los quemadores oxígeno - combustible 10 de
acuerdo con la presente invención se montan en los bloques del
quemador 112, extendiéndose el extremo anterior 126 de cada
quemador en el interior de una abertura 128 en cada bloque 112 del
quemador. Las desconexiones rápidas 40 y 46 de cada quemador 10
están dispuestas fuera de su bloque de quemador 112 respectivo para
permitir que la línea de combustible 44 y la línea de oxidante 50
se fijen a las mismas. Los quemadores 10 sirven para proporcionar
una llama no luminosa que se extiende hacia el interior de los
canales laterales 112 para calentar las porciones exteriores de la
corriente de vidrio fundido.
Si bien la invención se ha descrito arriba con
referencia a una realización específica de la misma, es evidente
que pueden hacerse muchos cambios, modificaciones y variaciones sin
desviarse del concepto expuesto en esta memoria. De acuerdo con
ello, se pretende abarcar la totalidad de dichos cambios,
modificaciones y variaciones que caen dentro del alcance de las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (6)
1. Un quemador
oxígeno-combustible (10) de tasa de carga baja que
comprende:
a. un primer conducto (12) para el paso de un
oxidante;
b. un segundo conducto (14) posicionado dentro de
dicho primer tubo (12) para el paso de un combustible;
c. una tobera de oxidante (16) fijada al extremo
anterior de dicho primer conducto (12);
d. una tobera de combustible 18 fijada al extremo
anterior de dicho segundo conducto (14); caracterizado
por
e. un turbulador de combustible (68) para dicho
combustible montado dentro de dicha tobera de combustible (18),
incluyendo dicho turbulador un miembro alargado, comprendiendo
dicho miembro alargado una broca helicoidal (74) centrada
aerodinámicamente dentro de dicha tobera de combustible (18) por el
combustible dentro de dicha tobera de combustible (18).
2. El quemador
oxígeno-combustible (10) de tasa de carga baja de
la reivindicación 1 en el cual dicho miembro alargado incluye al
menos una estría helicoidal (76) a lo largo de una porción de su
longitud.
3. El quemador
oxígeno-combustible (10) de tasa de carga baja de
la reivindicación 1 en el cual dicha tobera de combustible (18)
incluye un taladro (58) que tiene una porción posterior ahusada
hacia fuera en dirección hacia atrás, estando posicionada dicha
broca helicoidal (74) en dicho taladro (58), e incluyendo
adicionalmente dicho turbulador de combustible (68) un retenedor
(72), montado adyacentemente al extremo posterior de la broca
helicoidal (74), y estando posicionado dicho retenedor (72) dentro
de dicha porción ahusada posterior.
4. El quemador
oxígeno-combustible (10) de tasa de carga baja de
la reivindicación 3, en el cual dicho retenedor (72) es un miembro
en forma de arandela que tiene aberturas de flujo separadas (80) a
su través para permitir el paso de dicho combustible.
5. El quemador
oxígeno-combustible (10) de tasa de carga baja de
la reivindicación 1, que incluye adicionalmente un turbulador de
oxidante (92) posicionado dentro de dicha tobera de oxidante
(16).
6. El quemador
oxígeno-combustible (10) de tasa de carga baja de
la reivindicación 5, en el cual dicho turbulador de oxidante (92)
es un resorte helicoidal (94).
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