ES2239664T3 - Caja de aire en un oxidante termico regenerativo. - Google Patents

Abstract

Una caja (1) de aire en un oxidante térmico regenerativo que comprende uno o varios lechos (3) de un material de almacenamiento y transferencia de calor, estando conectada dicha caja (1) con una entrada/salida (2) de gas y comprendiendo una superficie (9) permeable a los gases que está girada hacia uno de los lechos (3), caracterizada porque los medios de distribución (4) están provistos de dicha caja (1) de aire.

Description

Caja de aire en un oxidante térmico regenerativo.

El presente invento se refiere a una caja de aire en un oxidante térmico regenerativo que comprende uno o varios lechos de material que almacena calor y transfiere calor, estando dicha caja de aire conectada con una entrada/salida de gas que comprende una superficie permeable que está girada hacia uno de dichos lechos.

Los contaminantes contenidos en aire o gas pueden ser eliminados calentando aire hasta temperaturas tan altas que los contaminantes sufran combustión o se desintegren. Un modo económico de lograr esto es pasar el aire contaminado a través de un denominado oxidante térmico regenerativo (OTR, o RTO en inglés), en el cual se hace fluir aire a través de una matriz de un medio de almacenamiento y transferencia de calor. La distribución de temperatura en el medio es tal que el aire es primero calentado a la temperatura de reacción, y después es enfriado de nuevo. De este modo, el aire es calentado sólo brevemente y el calor usado para calentar el aire puede ser recuperado para reutilizarlo. De este modo, la planta puede hacerse extremadamente ahorradora de energía.

Para mantener la distribución de temperatura en el medio que ahorra y transfiere calor, se invierte el flujo de aire a través de la planta a intervalos regulares. De este modo, las diversas partes del medio que almacena y que transfiere calor servirán alternativamente como partes que se alimentan de calor y como partes que reciben calor del aire que pasa. Mantendrán su temperatura media y la distribución de temperatura en el medio no cambiará.

En la Fig. 1 se muestra un tipo común de una planta de esta clase, véase, por ejemplo, la memoria descriptiva de la Patente de EE.UU. 5 024 817. El medio para almacenar y transferir calor está distribuido sobre dos lechos diferentes 11 y 12 que rodean una cámara 13 de combustión común. El aire entra desde debajo y es calentado en su paso hacia arriba a través del lecho 11, que está frío en la parte inferior y templado en la superior. Cuando el aire entra en la cámara de combustión 13, ha alcanzado una temperatura tal que las reacciones de combustión y/o desintegración tienen lugar en la cámara de combustión 13 siguiendo un calentamiento adicional nulo o muy ligero. A continuación, el aire pasa hacia abajo a través del lecho 12 que, como el lecho 11, está templado en la parte superior y frío en la inferior. El calor contenido en el aire es, por tanto, emitido gradualmente al material del lecho y el aire saldrá a través de la salida 15 a través de un mecanismo 14 de registro sin llevar cantidades elevadas de energía térmica. A intervalos regulares, se invierte la dirección del flujo de aire a través de la planta de tal manera que al aire entrará alternativamente a través del lecho 11 y saldrá a través del lecho 12 y entrará a través del lecho 12 y saldrá a través del lecho 11. La inversión de la dirección del flujo de aire es efectuada con ayuda del mecanismo 14 de registro. Existen tipos similares de plantas en que el número de lechos o regeneradores, como se les llama algunas veces, excede de dos, dispuestos alrededor de una cámara de combustión común.

En la memoria descriptiva de la Patente de EE.UU.4 741 690 y en la Fig. 2 se describe otro tipo de planta. En este caso, sólo se usa el lecho 21 de un material de transferencia y almacenamiento de calor. La distribución de temperatura en el lecho es tal que las temperaturas en la parte inferior y superior del lecho son ambas bajas, mientras que la temperatura en medio del lecho es alta. El aire que va a ser purificado es llevado por medio de un mecanismo 22 de registro alternativamente hacia arriba y hacia abajo a través del lecho. Inicialmente, el aire es calentado y tienen lugar reacciones de combustión y/o descomposición en medio del lecho. El aire es después enfriado después de su paso hacia fuera a través del resto del lecho y puede dejar la planta sin llevar con él grandes cantidades de energía. Debido a la inversión de la dirección del flujo de aire a través del lecho, las partes superior e inferior del lecho sirven alternativamente como medios de calentamiento y enfriamiento, respectivamente, para calentar y enfriar el flujo de aire en analogía con los dos regeneradores 11 y 12 del tipo de planta mostrado en la Fig. 1. De un modo correspondiente, el centro del lecho de la planta mostrado en la Fig 2 funciona de una manera idéntica a de la cámara de combustión 13 de la planta mostrada en la Fig 1.

Cuando se entra y se sale de las plantas, el aire es distribuido sobre, y recogido desde, respectivamente, la superficie de un lecho. Esto se logra usando cajas de aire tales como las 16 y 17 mostradas en la Fig 1 y las 23 y 24 mostradas en la Fig 2, respectivamente. Ambos tipos de plantas padecen la desventaja de que después de la inversión de la dirección del flujo de aire, la caja de aire que manipula la entrada de aire no purificado es convertida en una caja de aire que manipula la salida de aire purificado. Esto significa que el aire contenido dentro de esta caja de aire en el mismo momento de la inversión es llevado mediante el mecanismo de registro a la salida de la planta sin haber sido purificado. Después de cada inversión de la dirección de flujo de aire a través de la planta, por consiguiente será emitida una "bocanada" de aire no purificado, con la consiguiente reducción del grado de purificación de la planta.

Para minimizar la reducción del grado de purificación, es deseable que el volumen del aire no purificado sea tan pequeño como sea posible, y por esta razón se desea el uso de cajas de aire del menor tamaño posible. Las cajas de aire pequeñas generan flujos de aire a alta velocidad, y por consiguiente con altas presiones dinámicas. Otro modo de contrarrestar la reducción del grado de purificación es recoger la bocanada de cada inversión en una unidad de almacenamiento y para después devolver esta cantidad de aire recogido para el retratamiento de este. Sin embargo, la salida de aire no purificado no tiene lugar como en un flujo de descarga ideal. La velocidad de aire por fuera de la salida de la caja de aire es baja. Esto significa que el volumen que tiene que ser recirculado para su retratamiento excede considerablemente del volumen de la caja de aire si alguien desea eliminar completamente la bocanada. Por consiguiente, el tamaño de la unidad de almacenamiento debe ser considerable y el flujo recirculado suficientemente grande para afectar de forma significativa a la capacidad de flujo de la planta. De nuevo, es deseable usar cajas de aire de volúmenes tan pequeños como sea posible.

Para un funcionamiento eficiente de la planta, es importante que el flujo a través del medio de almacenamiento y de transferencia de calor sea distribuido uniformemente. Un aspecto particularmente importante es que pasen cantidades iguales de aire en ambas direcciones a través de una parte del medio. De otro modo, el perfil de temperatura entre las inversiones de flujo de aire no se regenera. En la entrada y en la primera parte de la caja de aire, la velocidad del aire excede a la del extremo remoto de la caja de aire. Esto significa que la presión estática es menor en la parte de la caja de aire situada más cerca de la salida que la de la parte más exterior. Esto se cumple tanto en el caso de flujos dentro de la caja de aire como en flujos fuera de la caja de aire. Esto significa que el pretendido flujo de aire vertical a través del material del lecho queda superpuesto por un flujo horizontal. Si este flujo se hace demasiado grande, se pone en riesgo el funcionamiento de la planta. Los diferenciales de presión se hacen mayores, cuanto mayores sean las velocidades de aire dentro de las cámaras de aire. Por consiguiente, sus volúmenes se reducen en la dirección hacia abajo. Esta es una característica particularmente dañina en plantas grandes. Las grandes extensiones horizontales requieren una altura vertical considerable de la caja de aire para asegurar que se pueden manejar cantidades considerables de aire que se necesitan procesar por unidad de longitud en la dirección transversal.

De acuerdo con las enseñanzas del presente invento, se hace posible tanto reducir los volúmenes de caja de aire como recortar los tiempos de descarga de la caja de aire. En la Fig 3 aparece una realización del invento. Esta figura del dibujo muestra una caja de aire 1 que tiene una entrada/salida 2. El propósito de esta caja de aire es formar una conexión con un lecho de material 3 de almacenamiento y transferencia de calor. La característica novedosa es que la caja de aire 1 contiene una partición 4 que divide la caja 1 de aire en dos compartimentos, un compartimento 5 adyacente al lecho 3 y un compartimento 6 que está separado del lecho. Los dos compartimentos se comunican por medio de un hueco 7 que se extiende a lo largo de la periferia de la partición. Debido a que el compartimento 5 situado al lado del lecho está provisto de aire proveniente de toda su periferia, la longitud de la dirección transversal del flujo de aire es considerable aunque al mismo tiempo, la longitud de distribución/colección es corta. Por consiguiente, se hace posible dar a un compartimento 5 de caja de aire pequeño, de grandes dimensiones, y un volumen pequeño sin dimensionar, dando como resultado grandes velocidades de aire y diferenciales de presión de este compartimento. Al mismo tiempo, el volumen en que las velocidades son realmente bajas es pequeño, y por consiguiente la descarga de forma satisfactoria de aire contaminado, tras la inversión de la dirección del flujo de aire a través de la planta, se obtiene en un tiempo más corto que hasta ahora. El compartimento 6 no limita directamente con el lecho. Por esta razón, se toleran velocidades de aire más altas en este compartimento que en una caja de aire convencional. Los volúmenes totales de los compartimentos 5 y 6 podrían hacerse más pequeños que el volumen en una caja de aire convencional. En un compartimento 6 de caja de aire convencional, no hay tampoco ningún área, en la cual la velocidad de aire sea baja y que requiera, por consiguiente, tiempos de descarga largos.

Las Figs. 4 y 5 ilustran una realización similar en más detalle, la Fig. 5 muestra la caja de aire 1 en una vista oblicua desde debajo. La figura también muestra una pared8 aislante que rodea los lados laterales del lecho.

Una ventaja adicional proporcionada por la nueva configuración de la caja de aire es que el área de alta presión generada en el extremo remoto de la caja de aire convencional se mueve, por el contrario, hacia el centro del compartimento 5. Las perturbaciones del flujo de aire que ocurren aquí, dan como resultado pérdidas térmicas del lecho, son menos serias que las perturbaciones que hay adyacentes a la pared exterior del lecho, en que ya ocurren pérdidas de calor al ambiente. En una planta de acuerdo con el invento, por otro lado, se forma una baja presión a lo largo de la pared exterior, dando como resultado un ahorro térmico mejorado, que a su vez hace posible operar toda la planta de un modo que ahorra más energía.

Cuando la planta está lista, y en su temperatura de operación, pero sin flujo de aire fluyendo a través de ella, el calor es conducido a través del material del lecho en la dirección que va desde arriba hasta abajo. Esto causa pérdidas de calor desde el lecho. Para proporcionar a la caja de aire una partición como se muestra en el presente invento, después tiene la ventaja añadida de que la partición actúa como una pantalla de radiación, lo que evita parte de este flujo de
aire.

El resultado es pérdidas de calor reducidas. Además, la temperatura en las partes más exteriores de la planta disminuye, permitiendo el uso en algunos casos, de materiales menos sofisticados y menos resistentes al calor en bordes y juntas y algunasveces haciendo que sea superfluo el contacto de los medios de protección sobre las caras exteriores de la planta. Para reforzar este efecto, la partición se hace preferentemente de, o recubierta con, un material que tiene un bajo factor de emisión de calor-radiación y, por consiguiente, elevado poder de reflexión.

Para lograr la distribución de flujo deseada a través del lecho, es posible variar el ancho del hueco que conecta entre los dos compartimentos 5 y 6 de la caja de aire. Cuando se desee un flujo mayor, se hace el hueco más ancho, y viceversa. Sin afectar negativamente a la función de forma general, es posible hacer que el hueco sea discontinuo para estrangular el flujo localmente o con fines estructurales. De igual modo, el hueco puede ser reemplazado parcial o totalmente con aberturas distribuidas a lo largo de la periferia de la partición. Incluso una realización de acuerdo con la cual los compartimentos 5 y 6 de la caja de aire se comunican desde dos direcciones sólo ofrece ventajas con respecto a una caja de aire sin una
partición.

El objeto del invento puede funcionar también en caso de mayores conexiones, además de las que hay a lo largo de la periferia, que existen entre los dos compartimentos de caja de aire o donde la partición entre los dos compartimentos no se extienda a lo largo de toda la caja de aire. De igual modo es posible, dentro del alcance del invento, usar varias cajas de aire sobre cada lado del lecho. Lo que se ha dicho antes con respecto a las direcciones horizontal y vertical se refiere a las figuras de los dibujos mostradas. Obviamente, podrían configurarse plantas en que las direcciones de flujo se diferencien de las mostradas sin cambiar el principio de la función de la planta.

Debería entenderse que se podrían usar otros medios más que la partición para distribuir el aire en la caja de aire de una forma ventajosa. Por ejemplo, se podrían usar placas ranuradas o medios similares. Además, la expresión "aire", tal como se usa en la descripción y en las reivindicaciones anexas, debería considerarse incluyendo otros tipos de gases contaminados, en casos en que un dispositivo de combustión incluyendo cajas de aire de acuerdo con la invención puede ser usado para purificar también otros gases.

Claims (7)

1. Una caja (1) de aire en un oxidante térmico regenerativo que comprende uno o varios lechos (3) de un material de almacenamiento y transferencia de calor, estando conectada dicha caja (1) con una entrada/salida (2) de gas y comprendiendo una superficie (9) permeable a los gases que está girada hacia uno de los lechos (3), caracterizada porque los medios de distribución (4) están provistos de dicha caja (1) de aire.

2. Una caja de aire (1) tal como se ha reivindicado en la reivindicación 1, caracterizada porque dichos medios (4) de distribución dividen esencialmente la caja (1) de aire en un primer y un segundo compartimentos (5 y 6, respectivamente), estando situada dicha superficie (9) permeable en dicho primer compartimento (5) y desembocando dicha entrada/salida (2) de gas en dicho segundo compartimento (6), y porque dichos primer y segundo compartimentos (5 y 6, respectivamente) están conectados con aberturas (7) de insuflación.

3. Una caja (1) de aire como se ha reivindicado en la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque dichos medios de distribución comprenden un miembro (4) de tipo placa.

4. Una caja de aire (1) como se ha reivindicado en la reivindicación 3, caracterizada porque dichas aberturas de insuflación de aire están configuradas como espacios de separación entre el miembro de tipo placa (4) y las paredes laterales de la caja (1) de aire.

5. Una caja (1) de aire como se ha reivindicado en la reivindicación 3, caracterizada porque dichas aberturas de insuflación de aire están configuradas como una serie de aberturas distribuidas a lo largo de la periferia del miembro (4) de tipo placa.

6. Una caja (1) de aire como se ha reivindicado en la reivindicación 3 ó 4, caracterizada porque una pluralidad de elementos (10) separadores está dispuesta en dicha caja (1) de aire entre dicha superficie (3) permeable y la cara opuesta de la caja de aire, estando dicho miembro (4) de tipo de placa unido a dichos elementos (10) separadores y estando sin ningún contacto directo con las paredes de la caja de aire.

7. Una caja (1) de aire como se ha reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el miembro (4) de tipo de placa posee, al menos parcialmente, propiedades superficiales de reflejar radiación de calor.