ES2250454T3 - Conjunto de tubos venturi, y quemadorses y procedimientos que utilizan estos conjuntos. - Google Patents

Conjunto de tubos venturi, y quemadorses y procedimientos que utilizan estos conjuntos.

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ES2250454T3 ES01959061T ES01959061T ES2250454T3 ES 2250454 T3 ES2250454 T3 ES 2250454T3 ES 01959061 T ES01959061 T ES 01959061T ES 01959061 T ES01959061 T ES 01959061T ES 2250454 T3 ES2250454 T3 ES 2250454T3
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Jaiwant D. Jayakaran
Jason D. Mcadams
Andrew Jones
Demetris T. Venizelos
Richard T. Waibel
Wesley Ryan Bussman
I-Ping Chung
Ralph Robert Hayes
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Abstract

Una estructura de tubos venturi compuesta incluyendo: un grupo de tubos venturi (30) incluyendo al menos dos tubos venturi (32), teniendo cada tubo venturi indicado una porción de cuerpo venturi principal alargada que define un conducto, una entrada de tubo venturi (34) y una salida de tubo venturi (38), estando dispuesto y adaptado cada tubo venturi indicado para inducir el flujo de un material inducido pasando un fluido inductor a su través, por lo que mezclas respectivas de materiales inducidos y fluidos inductores son descargadas por dichas salidas; un colector alargado (40) adaptado y dispuesto para recibir las respectivas mezclas de fluidos inductores y materiales inducidos descargadas de dichos tubos venturi, y recoger y entremezclar dichas mezclas para presentar una sola corriente mezclada de dichos fluidos y materiales, teniendo dicho colector una pared periférica exterior que define una cámara mezcladora interna, un extremo de entrada (42), un extremo de salida (62) y un eje central que se extiende longitudinalmente (60) entre dichos extremos; caracterizado porque dichas porciones de cuerpo venturi principales alargadas están dispuestas en paralelismo sustancial con relación a dicho eje central, y porque respectivos segmentos tubulares alargados (39) para los tubos venturi (32) están adaptados y dispuestos para interconectar e intercomunicar el extremo de entrada (42) del colector (40) con dichas salidas de tubo venturi (38), teniendo cada segmento tubular indicado una entrada conectada a la salida de un tubo venturi correspondiente y una salida conectada al extremo de entrada del colector, y disponiéndose cada segmento de manera que se extienda hacia fuera lejos del extremo de entrada del colector a un ángulo con relación a dicho eje central (60) de manera que la entrada del segmento tubular así como la entrada (34) del tubo venturi correspondiente (32) se coloquen en posiciones que están espaciadas radialmente de dicho eje central una mayor distancia que la distancia desde el eje al lugar donde la salida del segmento tubular está conectada al colector (40).

Description

Conjunto de tubos venturi, y quemadores y procedimientos que utilizan estos conjuntos.
Antecedentes de la invención Campo de la invención
La presente invención se refiere a tubos venturi que inducen el flujo de un fluido cuando se pasa a su través un flujo inductor de otro fluido. La invención también se refiere a quemadores industriales, y en particular a quemadores que utilizan tubos venturi para inducir el flujo de uno o varios de los componentes de una mezcla combustible y por lo tanto crean dicha mezcla para introducción a una zona de combustión. La invención también se refiere a dispositivos quemadores capaces de crear y manejar mezclas combustibles ricas en oxígeno.
Estado de la técnica anterior
Los dispositivos venturi para inducir el flujo de un fluido (el fluido inducido) por flujo de otro fluido (el fluido inductor) son conocidos. Estos dispositivos constan en general de un tubo que tiene un extremo de entrada, una zona de garganta y un extremo de salida. Hablando en términos generales, la garganta tiene un área de flujo menor que el extremo de entrada para proporcionar por ello una zona de baja presión en la garganta. El fluido inductor fluye a través del tubo desde el extremo de entrada del tubo venturi al extremo de salida, y una fuente del fluido inducido está en comunicación de fluido con la zona de baja presión creada en la garganta del dispositivo por el flujo del fluido inductor. Así, el fluido inducido se arrastra a la garganta y mezcla con el fluido inductor.
Los dispositivos venturi son especialmente útiles en quemadores donde se utiliza un flujo de combustible fluido para inducir un flujo de aire para crear por lo tanto una mezcla del combustible y el aire en el tubo venturi. A veces, sin embargo, es útil utilizar el aire de combustión para inducir un flujo del combustible. Alternativamente, se puede usar un flujo de aire o combustible a través del tubo venturi para inducir un flujo de gases de combustión recirculados u otro diluyente para controlar la temperatura de la llama y así influir en la producción de NO_{x}.
A pesar de su uso difundido, los tubos venturi todavía tienen algunas limitaciones. En primer lugar, la capacidad del tubo venturi para inducir un flujo de fluido inducido se limita por la presión disponible del fluido inductor y la cantidad de éste último necesaria para una aplicación dada. Además, la longitud de un tubo venturi eficiente está típicamente directamente relacionada con el diámetro de la garganta. Las dimensiones físicas del entorno de trabajo pueden tener así una influencia limitadora en la capacidad del tubo venturi.
En un sentido más general, la reducción y/o la supresión de NO_{x} en quemadores industriales siempre ha sido una finalidad deseable. En el pasado se ha logrado una cierta reducción de NO_{x} utilizando una mezcla de combustible/aire primaria pobre en combustible acoplado con la graduación de una porción del combustible gaseoso. Las mezclas primarias pobres en combustible son potencialmente deseables en algunas aplicaciones porque el aire excesivo proporciona una carga para reducir las temperaturas de la llama para reducir consiguientemente NO_{x}. El gas graduado puede ser introducido posteriormente en la zona de combustión desde boquillas de gas dispuestas alrededor de la periferia del quemador o de una boquilla central de gas que sobresale a través del centro del extremo situado hacia abajo de la tobera del quemador. El combustible secundario es quemado con el aire excesivo en un entorno donde gases de combustión están disponibles como un diluyente. Estos dispositivos no siempre han tenido éxito al reducir NO_{x} a niveles deseables.
En algunos casos, se introduce una mezcla primaria pobre en combustible en la zona de combustión a una velocidad relativamente alta debido a la masa extra proporcionada por el aire excesivo. Dicha velocidad puede ser a veces tan alta que la velocidad de la llama se supere proporcionando un entorno de llama inestable.
En DE-A-3811477 se describe un quemador de gas en el que se alimenta una mezcla de gas-aire al extremo de entrada de una cámara de quemador mediante varios tubos mezcladores. El gas se dirige a los extremos de entrada de los tubos de mezcla por respectivas toberas de manera que el aire sea arrastrado con el gas. Los extremos de entrada de los tubos de entrada están en planos diferentes, por ejemplo dirigiéndose los tubos de mezcla radialmente con respecto a la cámara de quemador. En AT-B-398339 se describe un quemador de gas en el que se suministra una mezcla de gas-aire a una cámara alargada de quemador mediante tres tubos mezcladores colocados en paralelo entre sí y separados a lo largo de la longitud de la cámara de quemador.
Resumen de la invención
Según los principios y conceptos de la invención, se facilita una estructura de tubos venturi compuesta incluyendo:
un grupo de tubos venturi incluyendo al menos dos tubos venturi, teniendo cada tubo venturi indicado una porción de cuerpo venturi principal alargada que define un conducto, una entrada de tubo venturi y una salida de tubo venturi, estando dispuesto y adaptado cada dicho tubo venturi para inducir el flujo de un material inducido pasando un fluido inductor a su través, por lo que respectivas mezclas de materiales inducidos y fluidos inductores son descargadas por dichas salidas;
un colector alargado adaptado y dispuesto para recibir las respectivas mezclas de fluidos inductores y materiales inducidos descargadas de dichos tubos venturi, y recoger y entremezclar dichas mezclas para presentar una sola corriente mezclada de dichos fluidos y materiales, teniendo dicho colector una pared periférica exterior que define una cámara mezcladora interna, un extremo de entrada, un extremo de salida y un eje central que se extiende longitudinalmente entre dichos extremos;
caracterizado porque dichas porciones de cuerpo venturi principales alargadas están dispuestas en paralelismo sustancial con relación a dicho eje central, y porque respectivos segmentos tubulares alargados para los tubos venturi están adaptados y dispuestos para interconectar e intercomunicar el extremo de entrada del colector con dichas salidas de tubo venturi, teniendo cada segmento tubular indicado una entrada conectada a la salida de un tubo venturi correspondiente y una salida conectada al extremo de entrada del colector, y disponiéndose cada segmento de manera que se extienda hacia fuera del extremo de entrada del colector a un ángulo con relación a dicho eje central de manera que la entrada del segmento tubular así como la entrada del tubo venturi correspondiente se coloquen en posiciones que están espaciadas radialmente de dicho eje central una mayor distancia que la distancia del eje al lugar donde la salida del segmento tubular está conectada al colector.
Deseablemente, la estructura puede tener al menos tres, frecuentemente tendrá al menos seis, y en algunos casos, dependiendo de las exigencias de una aplicación especial, puede tener incluso más de seis tubos venturi. Una finalidad importante de la presente invención es proporcionar soluciones prácticas a problemas hoy día existentes en el campo de los quemadores, en particular los que implican la producción de niveles excesivos de NO_{x}. Así, la invención proporciona una estructura y metodología dirigidas a resolver y mitigar los problemas que se refieren a tubos venturi en general. A causa del área superficial incrementada proporcionada por la multiplicidad de tubos venturi, un volumen dado del fluido inductor puede educir un mayor flujo del material inducido. Además, para un flujo de fluido inductor dado, las gargantas de los tubos venturi en un grupo tienen gargantas más pequeñas y por lo tanto pueden ser de menor longitud.
Cada uno de los tubos venturi del grupo puede tener una entrada, una garganta y una salida, y cada uno puede estar dispuesto y adaptado para producir el flujo de un material inducido por el paso de un fluido inductor a su través. Esta acción crea, en cada tubo venturi, una mezcla respectiva de material inducido y fluido inductor, mezcla que después puede descargarse de las salidas de los respectivos tubos venturi. El colector tiene un extremo de entrada que está conectado y dispuesto en comunicación de fluido con las salidas de los tubos venturi. Así, las respectivas mezclas de fluido inductor y material inducido descargadas de las salidas se pueden recoger y entremezclar para presentar una sola corriente mezclada para descarga de un extremo de salida del colector. El material inducido puede ser muy a menudo un material fluido; sin embargo, según los aspectos más amplios y previsiones de la invención, el material inducido puede ser material fluido sólido, tal como, por ejemplo, un polvo o un material en copos.
Los tubos venturi de la estructura de tubos venturi compuesta de la invención pueden estar deseablemente, pero no necesariamente, en forma de tubos alargados, esencialmente rectos. Preferiblemente, pero no necesariamente, los tubos se pueden disponer en paralelismo esencial uno con relación a otro. Los tubos venturi también pueden tener esencialmente la misma capacidad física; sin embargo, esto tampoco es una característica necesaria o crítica de la invención, y de hecho, hay muchas aplicaciones donde puede ser deseable que al menos uno de los tubos venturi de un grupo dado tenga una capacidad física diferente de la de otro de los tubos venturi de ese mismo grupo.
En otro aspecto importante de la invención, la estructura de tubos venturi compuesta puede ser un componente de un nuevo conjunto de quemadores. Según este aspecto de la invención, además del grupo de tubos venturi y el colector, el conjunto de quemadores puede incluir una boquilla de quemador que está unida y en comunicación de fluido con un extremo de salida del colector. Así, la boquilla se puede disponer para recibir la única corriente mezclada de fluidos del colector y dirigirla a una zona de combustión.
En una realización importante de la invención, la boquilla puede ser alargada y estar adaptada y dispuesta para dirigir la única corriente mezclada de la boquilla y a la zona de combustión en una dirección generalmente radial con relación a un eje longitudinal de la boquilla. Dicha boquilla puede configurarse deseablemente para crear una llama plana redonda que rodea la boquilla.
En otra realización importante de la invención, la boquilla puede ser alargada y estar adaptada y dispuesta para dirigir la única corriente mezclada de la boquilla y a la zona de combustión en una dirección generalmente axial con relación a un eje longitudinal de la boquilla. Esta boquilla puede configurarse deseablemente para crear una llama cilíndrica que se extiende a lo largo del eje.
En un sentido general, un combustible gaseoso o aire puede ser el fluido inductor; sin embargo, deseablemente, al menos uno de los tubos venturi puede estar adaptado y dispuesto para operación con un combustible gaseoso como el fluido inductor. Cuando se usa un combustible gaseoso como el fluido inductor, el aire o los gases de combustión recirculados pueden ser el fluido inducido. Deseablemente, al menos uno de los tubos venturi puede estar adaptado y dispuesto para operar con aire como el fluido inducido. Así, cuando se usa un combustible gaseoso como el fluido inductor y aire es el fluido inducido, la única corriente mezclada creada en el colector puede incluir una mezcla de combustible fluido y aire. Igualmente, cuando se usa un combustible gaseoso como el fluido inductor y gases de combustión recirculados son el fluido inducido, la única corriente mezclada puede incluir una mezcla de combustible fluido y gases de combustión. Para algunas aplicaciones, se puede usar un combustible gaseoso como el fluido inductor para inducir un flujo de aire en un tubo venturi de un grupo dado y para inducir un flujo de gases de combustión en otro tubo venturi del grupo. La única corriente mezclada puede incluir así una mezcla de combustible fluido, aire y gases de combustión recirculados. Uno o varios de los tubos venturi del grupo puede estar adaptado y dispuesto para operar con un diluyente como el fluido inducido, por lo que la única corriente mezclada incluye un combustible fluido y un diluyente. El diluyente puede ser vapor o nitrógeno o CO_{2} o algún otro gas disponible que es inerte con relación al proceso de reacción de combustión.
Según un aspecto importante de la invención, el colector puede ser preferiblemente alargado y estar dispuesto de manera que incluya un eje central que se extiende entre sus extremos. Deseablemente, el montaje también puede incluir un tubo central de combustible que se extiende a través del colector a lo largo del eje de éste último. Idealmente, el tubo central de combustible también se puede extender mediante la boquilla de quemador y puede tener una porción de extremo descendente que sobresale mediante un agujero colocado en el centro a un extremo situado hacia abajo de la boquilla de quemador. Según un aspecto preferido de la invención, el conjunto puede incluir una tobera de combustible situada en la porción de extremo descendente del tubo central de combustible.
Idealmente, el extremo de entrada del colector puede incluir un respectivo segmento abierto para cada uno de los tubos venturi del grupo, y cada una de las salidas de los tubos venturi puede estar conectada a un segmento respectivo. Los segmentos se pueden disponer en una serie que se extiende alrededor del tubo central de combustible de manera que las corrientes mezcladas se distribuyan uniformemente alrededor del interior del colector. Si la boquilla está adaptada y dispuesta para dirigir la única corriente mezclada de la boquilla y a la zona de combustión en una dirección generalmente radial con relación a un eje longitudinal de la boquilla, la tobera de combustible puede estar adaptada y dispuesta deseablemente para obtener combustible secundario a la zona de combustión. Por otra parte, si la boquilla está adaptada y dispuesta para dirigir la única corriente mezclada de la boquilla y a la zona de combustión en una dirección generalmente axial con relación a un eje longitudinal de la boquilla, la tobera de combustible puede estar adaptada y dispuesta deseablemente para proporcionar una llama primaria continua en una posición en la zona en la que está espaciada axialmente del extremo situado hacia abajo de la boquilla. Idealmente, en este último caso, la tobera de combustible puede estar situada en una posición donde está espaciada suficientemente del extremo situado hacia abajo de la boquilla en la zona de combustión de tal manera que la única corriente mezclada se pueda expandir y ralentizar a una velocidad de tal manera que su velocidad, cuando llegue a proximidad con la tobera de combustible, no sea mayor que la velocidad de mantenimiento de la llama.
En una realización la invención proporciona un conjunto de quemadores que incluye una estructura de tubos de quemador e incluye la estructura de tubos venturi. La estructura de tubos de quemador incluye un conducto alargado de quemador que tiene extremos espaciados de entrada y de salida. Dicho conducto puede ser un tubo venturi. Alternativamente puede ser simplemente un tubo hueco o conducto. El conducto puede estar adaptado en general y dispuesto para dirigir una mezcla gaseosa combustible incluyendo un combustible fluido, preferiblemente en forma de un combustible gaseoso, y oxígeno, preferiblemente en forma de aire, desde su extremo de entrada al extremo de salida. Según este aspecto de la invención, se puede disponer una boquilla de quemador en el extremo de salida del conducto, y dicha boquilla de quemador puede tener deseablemente un eje central y un extremo situado hacia abajo espaciado del extremo de salida del conducto. La boquilla puede estar dispuesta y adaptada en general para recibir la mezcla combustible procedente del conducto y dirigirla a través de uno o varios agujeros en el extremo situado hacia abajo de la boquilla y a una zona de combustión en una dirección en general a lo largo del eje de la
boquilla.
El conjunto de este aspecto de la invención puede incluir además un tubo central alargado de combustible que se extiende a través de la boquilla y a lo largo del eje. Este tubo de combustible puede sobresalir deseablemente de la boquilla en una dirección axial a través del extremo situado hacia abajo de éste último, y el tubo de combustible puede tener una porción de extremo situada hacia abajo que está situada en la zona de combustión en relación espaciada con relación al extremo situado hacia abajo de la boquilla de quemador. El agujero o agujeros en el extremo situado hacia abajo de la boquilla pueden estar dispuestos alrededor del tubo de combustible, por lo que la mezcla dirigida a la zona de combustión puede estar en general en forma de un cilindro que rodea el tubo de combustible y se extiende hacia fuera del extremo situado hacia abajo de la boquilla a lo largo del eje hacia la porción de extremo situada hacia abajo del tubo de combustible. Idealmente, el conjunto incluye una tobera de combustible en la porción de extremo descendente del tubo de combustible que está situado en una posición en la zona que está suficientemente alejada del extremo situado hacia abajo de la boquilla de quemador para permitir que la mezcla se expanda después de haber salido del extremo situado hacia abajo de la boquilla y ralentice a una velocidad que es inferior a su velocidad de llama antes de llegar a proximidad con la tobera de combustible. En esta forma de la invención, el conjunto de quemadores de puede utilizar deseablemente en situaciones donde la mezcla combustible incluye una mezcla de combustible y aire ultra pobre en combustible.
En un conjunto particular de quemadores se ha dispuesto una boquilla de quemador en general en forma de cúpula. La boquilla de quemador incluye deseablemente una porción de base generalmente en forma de aro que tiene un eje central y una pluralidad de nervios alargados, yuxtapuestos, espaciados circunferencialmente, curvados longitudinalmente, que se extienden en una dirección a lo largo del eje. Cada uno de los nervios puede tener un primer extremo que está montado en la base y un segundo extremo que está espaciado de la base, estando situados los segundos extremos más próximos al eje que los primeros extremos. La porción de base y los nervios definen conjuntamente un área dentro de la boquilla adaptada para recibir un flujo de una mezcla de aire y combustible fluido, y los nervios solos definen una multiplicidad de ranuras curvadas entremedio que permiten que la mezcla fluya desde el área dentro de la boquilla y hacia fuera a una zona de combustión fuera de la boquilla de quemador en una dirección radial y en una dirección que incluye un vector que se extiende a lo largo del eje. La boquilla de quemador puede incluir una porción de corona conectada a los segundos extremos de los nervios, y dicha porción de corona puede incluir una pluralidad de discontinuidades que se extienden axial y radialmente alineadas con ranuras respectivas de tal manera que la mezcla de aire/combustible fluido que fluye a través de las discontinuidades tenga una dirección axial de flujo más pronunciada con relación a la mezcla de aire/combustible fluido que fluye a través de las ranuras. Estas discontinuidades pueden colocarse deseablemente para hacer que la mezcla de aire/combustible fluido fluya a su través para crear una zona mezcladora pregraduada fuera de la zona de combustión. La porción de corona también puede tener un agujero alineado axialmente que acomoda una tobera de gas.
El dispositivo de tubos venturi puede ser un componente de un quemador para suministrar una mezcla combustible a una tobera del quemador para presentar una única corriente mezclado de combustible de los fluidos. Idealmente, los fluidos inductores primero y segundo pueden ser combustibles gaseosos y cada uno de los fluidos inducidos primero y segundo puede ser aire. Alternativamente, el primer fluido inducido puede ser aire y el segundo fluido inducido puede ser gases de combustión recirculados u otro diluyente tal como vapor o nitrógeno o CO_{2} o cualquier otro gas inerte.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es una vista en alzado de un conjunto de quemadores que incluye un grupo compuesto de múltiples tubos venturi que realiza los conceptos y principios de la invención.
La figura 2 es una vista, parecida a la figura 1, a excepción de que el conjunto se representa en parte en sección transversal para revelar los componentes interiores.
La figura 3 es una vista en planta desde arriba del conjunto de quemadores de la figura 1.
La figura 4 es una vista en sección transversal tomada esencialmente a lo largo de la línea 4-4 de la figura 2.
La figura 5 es una vista en sección transversal tomada esencialmente a lo largo de la línea 5-5 de la figura 2.
La figura 6 es una vista en alzado, en parte en sección transversal, que ilustra una porción de un grupo compuesto alternativo de múltiples tubos venturi que realiza los conceptos y principios de la invención.
La figura 7 es una vista con mayor detalle que ilustra la porción rodeada con círculo 7 del grupo compuesto de tubos venturi de la figura 6.
La figura 8 es una vista en perspectiva de una realización de una boquilla de quemador que realiza los conceptos y principios de la invención y que se puede usar en unión con un grupo compuesto de tubos venturi de la invención para presentar un conjunto de quemadores.
La figura 9 es una vista en planta desde arriba de la boquilla de quemador de la figura 8.
La figura 10 es una vista en perspectiva de una realización alternativa de una boquilla de quemador que realiza los conceptos y principios de la invención y que se puede usar en unión con un grupo compuesto de tubos venturi de la invención para presentar un conjunto de quemadores.
La figura 11 es una vista esquemática de otra realización de un conjunto de quemadores que realiza los conceptos y principios de la invención.
La figura 11A es una vista parcial que muestra un conjunto alternativo para el conjunto de quemadores de la figura 11.
La figura 12 es una vista esquemática de otra realización de un conjunto de quemadores que realiza los conceptos y principios de la invención.
La figura 13 es una vista en alzado, en parte en sección transversal, que ilustra la porción situada hacia abajo de otro conjunto de quemadores que realiza los conceptos y principios de la invención.
La figura 14 es una vista en sección transversal ampliada que ilustra los detalles de la porción de conjunto de quemadores de la figura 13.
La figura 15 es una vista en planta desde arriba del conjunto de quemadores de la figura 13.
Y la figura 16 es una vista esquemática de un conjunto de quemadores parecido al conjunto de quemadores de las figuras 11 y 11A a excepción de que el grupo central de tubos venturi está rodeado por el grupo periférico de tubos venturi.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas de la invención
La presente invención proporciona varias características nuevas que son útiles en combinación o solas. En particular estas características son útiles en conexión con quemadores y/o conjuntos de quemador adaptados para quemar combustibles fluidos. Estos combustibles fluidos pueden ser aceite combustible o análogos, pero preferiblemente pueden ser un combustible gaseoso tal como gas natural, propano, butano o hidrógeno, o análogos.
Un conjunto de quemadores que realiza principios y conceptos de la invención se ilustra en las figuras 1 a 5, donde se identifica con el número de referencia 20. El conjunto de quemadores 20 incluye una envuelta exterior generalmente cilíndrica 22 y una serie de toberas de combustible secundarias montadas periféricamente 24 que están conectadas a un colector de combustible 26. Como se puede ver en las figuras 2, 4 y 5, el conjunto 20 incluye además una estructura de tubos venturi compuesta 28 que, como se representa, incluye un grupo de tubos venturi 30 hecho de seis tubos venturi separados y discretos 32. Cada uno de los tubos venturi 32 tiene una entrada 34 en su extremo inferior o situado hacia arriba (como se ilustra en la figura 2), una garganta 36, y una salida 38 en su extremo superior o situado hacia abajo. Como se puede ver en las figuras 2, 4, 6 y 7, las porciones de extremo de entrada 35 de los tubos venturi, que se extienden desde las entradas 34 a las gargantas 36, están abocinadas hacia fuera y esencialmente en forma de cono o campana.
Individualmente, los tubos venturi 32 pueden ser estructuras tipo venturi convencionales del tipo conocido por los expertos en la técnica de quemadores, y cada una puede estar adaptada y dispuesta para producir el flujo de un material inducido simplemente pasando un fluido inductor a su través. Mediante este fenómeno, se crea una mezcla respectiva de material inducido y el fluido inductor en el tubo venturi y descarga por la salida 38 en el extremo situado hacia abajo del tubo venturi.
La estructura 28 también incluye un colector 40 que tiene un extremo de entrada 42 que, como se representa en la figura 2, está conectado y dispuesto en comunicación de fluido con las salidas 38 de los tubos venturi 32. Como apreciarán los expertos en la materia, los extremos superiores 39 de los tubos venturi 32 adyacentes a sus salidas 38 pueden tener una forma apropiada, como se representa esquemáticamente en la figura 5, de manera que proporcione una zona de transición suave 41 donde las salidas 38 se unen al extremo de entrada 42 del colector 40. En virtud de dicha disposición, las respectivas mezclas que salen de las salidas 38 en los extremos situados hacia abajo de los tubos venturi se recogen y entremezclan en el colector 40 formando por ello una sola corriente mezclada. Para facilitar la operación de entremezcla, el colector 40 puede estar provisto de una porción radialmente expandida 43 como se representa.
Aunque el grupo de tubos venturi se ilustra en las figuras 2, 4 y 5 incluyendo seis tubos venturi separados, será evidente a los expertos en la materia que el grupo también puede incluir tan sólo dos tubos venturi dispuestos para flujo paralelo. A la inversa, el grupo puede incluir incluso más de seis tubos venturi, por ejemplo doce o más tubos venturi, dependiendo de las necesidades de una aplicación dada.
Como será evidente a los expertos en la técnica, los fluidos inductores para los tubos venturi pueden ser diferentes. Además, no todos los materiales inducidos tienen que ser los mismos. Por ejemplo, en el caso de un quemador, el fluido inductor puede ser un combustible tal como un combustible gaseoso fósil o hidrógeno, mientras que el material inducido puede ser un fluido tal como, por ejemplo, aire, o un diluyente inerte de combustión, tal como, por ejemplo, gases de combustión recirculados, vapor, CO_{2} o nitrógeno. Alternativamente, el fluido inductor puede ser aire mientras que el material inducido puede ser un combustible fluido o un diluyente. En cualquier caso, las respectivas mezclas producidas en los tubos venturi individuales 32 se entremezclarán íntimamente en el colector 40 para producir una sola corriente mezclada que, cuando el grupo de tubos venturi 30 sea utilizado en un quemador, puede contener un oxidante, un combustible fluido, y un diluyente apropiado.
A efectos de usar los conceptos y principios de la presente invención en conexión con quemadores, el fluido inductor puede ser deseablemente un fluido, preferiblemente un combustible gaseoso, y el material inducido puede ser deseablemente un gas conteniendo oxígeno, preferiblemente aire. Para ello, el conjunto de quemadores 20 puede estar provisto de una serie de tubos de entrada de gas combustible 44 que pueden estar conectados a una fuente común de combustible que no se representa en los dibujos. El conjunto de quemadores 20 también puede estar provisto de una serie de palancas de control 46, deseablemente una palanca 46 para cada venturi 32. Cada una de estas palancas 46 puede ser accionada para desplazar un elemento respectivo de control 48 de manera convencional, aproximándolo y alejándolo de la entrada 34 de un tubo venturi correspondiente 32, para controlar por lo tanto la cantidad de aire que puede ser aspirado al tubo venturi correspondiente 32 desde una caja de aire circundante como resultado del gas combustible presionizado que fluye a la entrada 34 a través del tubo de entrada 44. La caja de aire se indica en general con el número de referencia 50 en la figura 1.
Con la disposición descrita anteriormente, cuando se descarga gas combustible a un tubo venturi mediante un tubo correspondiente 44, se aspira aire de la caja de aire 50 a la entrada 34 mediante el intervalo 52 entre cada entrada 34 y el elemento correspondiente 48. La cantidad de aire aspirado a la entrada 34 se puede controlar variando la anchura del intervalo 52 elevando y/o bajando el elemento 48 usando la palanca correspondiente 46. Este aire, que es aspirado a la entrada 34 como resultado del gas combustible que fluye a la entrada 34 a través del tubo 44, se une con el gas combustible descargado del tubo 44 creando por lo tanto una mezcla de gas combustible y aire que fluye a través del tubo venturi 32 y es descargada del tubo venturi 32 mediante la salida 38.
Los detalles de los controles de aire se ilustran especialmente bien en las figuras 6 y 7, donde se muestran como componentes de un dispositivo de tres quemadores venturi. Se ha de notar a este último respecto que los tubos venturi 32, los tubos 44, las palancas 46 y los elementos de control 48 de las figuras 6 y 7 son esencialmente los mismos que los componentes correspondientes del conjunto 20 de las figuras 1 y 2. Así, cuando las palancas 46 se giran en la dirección de apertura, el intervalo 52 se ensancha, y cuando se giran en la dirección contraria, el intervalo 52 se estrecha. La disposición de las figuras 6 y 7 también incluye un tubo central de suministro de combustible 70 que sirve a los efectos explicados a continuación.
Las respectivas mezclas individuales de los tubos venturi 32 se recogen y entremezclan en el colector 40 para presentar una sola corriente mezclada de gas combustible y aire que después puede dirigirse a una boquilla de quemador 54 para distribución a una zona de combustión 56 que en general rodea el extremo superior 58 del dispositivo de quemadores 20. Como se puede ver en la figura 2, el colector 40 puede estar preferiblemente alargado en una dirección a lo largo del eje longitudinal central 60 del conjunto de quemadores 20, y puede tener una salida o extremo situado hacia abajo 62 en el que se puede colocar la boquilla de quemador 54.
Los tubos venturi 32 pueden estar dispuestos preferiblemente para flujo paralelo en el grupo 30, y las respectivas mezclas producidas en los tubos venturi son alimentadas a un colector común 40 donde se unen para presentar una sola premezcla de combustible incluyendo aire y combustible. Esta premezcla se dirige después a la boquilla de premezcla común 54 que está montada en el extremo situado hacia abajo 62 del colector. La boquilla de premezcla 54 se puede diseñar de tal forma que la presión dentro de la boquilla sea esencialmente la misma que la presión que habría normalmente si solamente se emplease un solo tubo venturi. Esto garantiza una caída de presión asociada con la velocidad del gas que es consistente con la asociada con un solo tubo venturi. El uso de los múltiples tubos venturi permite el uso de múltiples mecheros de gas (inyectores) que a su vez difunden aire al chorro simple de gas a la misma velocidad. El área superficial añadida de tres chorros singulares (o más dependiendo de las necesidades particulares de una aplicación dada) permite difundir mayores cantidades apreciables de aire al chorro. Esto también permite aspirar más aire al agujero del tubo venturi por el momento de los chorros porque la velocidad de aspiración del fluido inducido varía directamente con el área superficial de la corriente inductora. El aire adicional aspirado es una función del número de chorros de gas empleados así como el momento del gas una vez que sale del mechero (inyector).
En una de las realizaciones de la invención, como se ha descrito anteriormente en relación a las figuras 1, 2 y 3, el grupo de tubos venturi 30 puede incluir seis tubos venturi 32. En otra forma igualmente valiosa de la invención, el grupo 30 puede incluir dos o más, tres o más, o incluso más de seis tubos venturi. Por ejemplo, un conjunto de quemadores empleando tres tubos venturi se ilustra en las figuras 6 y 7. La única limitación a este respecto es que los tubos venturi de cada grupo descarguen a un colector común 40 donde las mezclas individuales de los respectivos tubos venturi se pueden mezclar para formar una sola corriente mezclada. En la realización antes descrita, el fluido inductor descrito es un gas combustible y el fluido inducido descrito es aire.
En una forma preferida de la invención, las respectivas capacidades de los tubos venturi individuales pueden ser las mismas. Según el amplio alcance de la invención, sin embargo, los tubos venturi individuales de un grupo dado no tienen que ser idénticos. Es decir, la capacidad de uno o varios de los tubos venturi de un grupo dado puede ser diferente de la capacidad de uno u otros varios tubos venturi del mismo grupo. Además, el fluido inductor de uno o varios tubos venturi de un grupo dado puede ser diferente del fluido inductor de uno u otros varios tubos venturi del mismo grupo. Además, el fluido inducido de uno o varios de los tubos venturi de un grupo dado puede ser diferente del fluido inducido de uno u otros varios tubos venturi del mismo grupo. Por ejemplo a este respecto, el fluido inducido de un tubo venturi de un grupo dado puede ser aire, mientras que el fluido inducido de otro tubo venturi del mismo grupo pueden ser gases de combustión o un diluyente tal como nitrógeno o vapor. Además, y como otro ejemplo de un quemador, el fluido inductor podría ser aire y el fluido inducido podría ser un gas combustible. Como observarán fácilmente los expertos en la técnica de quemadores, hay gran número de combinaciones posibles de capacidades venturi, fluido inductor y fluido inducido que se podrían emplear de forma útil en un solo grupo de tubos venturi según los conceptos y principios de la invención.
El número de tubos venturi a usar en cualquier tiempo dado para cualquier aplicación dada se determina por la difusión de calor del quemador así como la geometría del quemador que se desea para la aplicación. En aplicaciones de NO_{x} ultra bajo, se puede utilizar uno o varios tubos venturi para sacar gases de combustión del horno, mientras que los tubos venturi restantes se pueden utilizar para gas y aire. Los gases de combustión del horno se pueden mezclar posteriormente con la mezcla de combustible y aire de los otros tubos venturi en el colector 40, aumentando así la masa de la corriente de combustión general. La carga adicional de la llama producida por la masa adicional, junto con la deceleración de la cinética de reacción, disminuirá la temperatura de la llama disminuyendo así las emisiones de NO_{x}. Este concepto, junto con el uso de una mezcla homogénea premezclada de gas y aire como el elemento combustible primario en otros diseños de quemador, puede conducir a la reducción de las emisiones de NO_{x} en otros tipos de quemadores proporcionando también una banda amplia de difusión de calor.
El uso de una multiplicidad de tubos venturi para suministrar una premezcla de combustible y aire facilita la provisión de una premezcla ultra pobre en combustible. Dicha premezcla ultra pobre en combustible puede contener deseablemente solamente aproximadamente 55% o so del combustible total requerido, y tal vez incluso menos, conteniendo frecuentemente al mismo tiempo todo el oxígeno necesario para quemar el combustible total. El resto del combustible puede suministrarse posteriormente como secundario combustible mediante toberas graduadas. Este concepto de premezcla ultra pobre, que mantiene el gas a relación de aire justo por encima de los límites de combustión inferiores, proporciona carga máximo en el calor generado por la llama primaria. La disposición de múltiples tubos venturi facilita el concepto de premezcla ultra pobre maximizando al mismo tiempo la capacidad de graduar una corriente de gas rica como gas graduado. La corriente de gas de premezcla difusa acoplada con gases de combustión aspirados por los chorros de gas graduados ha abierto nuevas oportunidades de reducción de NO_{x}. Se ha observado que el rendimiento de emisiones de NO_{x} de este diseño de quemador es de sólo 3 ppm por volumen.
Como se ha indicado anteriormente, el área superficial de múltiples chorros separados y contenidos en entradas en forma de campana convergentes independientes 35, se ilustra en las figuras 2, 4, 5 y 6, es mucho más eficiente en la aspiración de aire. Esto se debe al área superficial de chorro adicional y la disminución del diámetro creado separando un chorro grande en varios chorros pequeños. El tamaño del chorro se disminuye en función del diámetro del orificio y la divergencia del chorro en el fluido ambiente. El ángulo de divergencia, que es en gran parte una función del diseño del orificio de gas, también es determinante del área superficial del chorro. Cada chorro creado usando orificios separados de gas y múltiples tubos venturi, cuando se suministra a la misma presión de combustible, arrastrará y difundirá aire a la misma tasa. Esta velocidad de difusión/arrastre incrementará la capacidad del quemador de suministrar una premezcla muy pobre o ultra pobre en combustible. Aunque no se desea, la composición de la premezcla del grupo de múltiples tubos venturi se puede ajustar hasta el punto en el que la mezcla está por debajo de los límites de inflamabilidad. Manteniendo la composición de la premezcla justo dentro de los límites de inflamabilidad del combustible que se quema, es posible maximizar la masa de aire que después maximizará la carga térmica en la llama. La carga térmica adicional disminuirá la temperatura de la llama y así reducirá la forma térmica de NO_{x}.
Otra realización de un conjunto de quemadores que realiza los principios y conceptos de la invención se ilustra esquemáticamente en la figura 11 donde se identifica por el número de referencia 120. En la figura 11, los componentes esencialmente idénticos a los componentes identificados en conexión con las figuras 1 a 5 reciben números de referencia análogos. En la figura 11, el grupo de tubos venturi 30 se representa con solamente dos tubos venturi 32; sin embargo, como se ha explicado anteriormente, el grupo 30 de la figura 11 también podría tener tres o cuatro o más tubos venturi, con la única limitación del espacio disponible. Cada tubo venturi 32, como se representa en la figura 11, incluye un tubo alargado esencialmente recto 64 que se extiende entre la garganta 36 y la salida 38. Y como se puede ver, los tubos 64 están dispuestos en paralelismo esencial uno con relación a otro. En particular los tubos 64 están dispuestos para flujo paralelo de fluidos. Se deberá observar a este último respecto, sin embargo, que el conjunto representado en la figura 11 no es esencial para el rendimiento del grupo 30. Más bien, como reconocerán los expertos en la materia, no es necesario que las porciones situadas hacia abajo 64 del tubo venturi sean rectas o que se coloquen en paralelismo una con relación a otra.
La boquilla de quemador 154 del conjunto de quemadores de la figura 11, que se ilustra con mayor detalle en la figura 10, es preferiblemente alargada en una dirección a lo largo del eje 60 y está adaptada y dispuesta para dirigir la única corriente mezclada de combustible y aire recibida del colector 40 hacia fuera a la zona 56 en una dirección a lo largo del eje 60. Para ello, la boquilla 154 puede estar provista de una pluralidad de agujeros 66 en su extremo situado hacia abajo 67, agujeros 66 que se colocan para dirigir la corriente mezclada de combustible y aire a lo largo del eje 60 como se puede ver bien en la figura 11.
Cada tubo venturi 32, como se representa en la figura 11, está provisto de un suministro de gas combustible mediante un tubo de entrada o mechero 68, y el flujo de aire se puede controlar de la misma manera que la descrita anteriormente usando elementos de control móviles 48 (palancas 46 no representadas en la figura 11). Así, en la realización de la figura 11, el gas combustible puede ser el fluido inductor y aire es el fluido inducido. El conjunto 120 de la figura 11 también puede estar provisto de un tubo de combustible primario central alargado 70 que se extiende a lo largo del eje central 60 del conjunto 120 como se representa y sobresale a través de un agujero 69 en el extremo situado hacia abajo 67 de la boquilla 154. Se ha dispuesto un pequeño tubo venturi 72 en el extremo situado hacia arriba 74 del tubo 70, y se ha dispuesto un suministro de combustible primario para el tubo 70 a través de un mechero o tubo de entrada de combustible 76. Así, se hace fluir una mezcla primaria de aire y combustible a lo largo del tubo 70 hacia una tobera primaria 78 situada encima de una porción de extremo descendente 80 del tubo 70 que está situado en la zona de combustión 56. Se deberá observar aquí que, según la invención, aunque el material suministrado a la tobera 78 puede ser deseablemente una premezcla de aire/combustible, también es posible que se pueda suministrar combustible en bruto a la tobera 78 a efectos de estabilización.
Como se puede ver en la figura 11, los agujeros 66 están dispuestos en relación circundante con relación al tubo 70. Así, cuando la mezcla combustible de combustible y aire se expulsa de la boquilla 154 mediante los agujeros 66, tiene forma de un cilindro que se extiende hacia la tobera 78 en relación circundante al tubo 70. Después del encendido de la mezcla combustible, se crea una llama generalmente cilíndrica, que se extiende a lo largo del eje 60.
Un soporte de llama 82, para una finalidad explicada más adelante, está montado en el tubo 70 justo debajo de la tobera 78. Los detalles de algunas realizaciones preferidas del soporte de llama 82 y la tobera 78 se muestran en las figuras 13 y 14. Sin embargo, se ha de notar que la boquilla de quemador 254 ilustrada en la figura 13 difiere de la boquilla de quemador 154 de la figura 11, en que ésta última tiene una pluralidad de los agujeros 66 en su pared de extremo 156, mientras que la boquilla de quemador 254 tiene simplemente una forma cilíndrica que se abre de forma esencialmente ancha en su extremo situado hacia abajo 256.
Con referencia a la figura 13, el soporte de llama 82 puede tener deseablemente una forma cónica con su vértice 84 apuntando lejos de la tobera 78. Deseablemente, el vértice 84 puede estar situado a aproximadamente 8 pulgadas (20,32 cm) encima del extremo superior 256 de la boquilla 254. En una forma especialmente preferida de la invención, el soporte de llama 82 puede tener un diámetro externo de aproximadamente 4 pulgadas (10,16 cm) cuando el tubo 70 se forma a partir de un tubo de 1 pulgada (2,54 cm) de diámetro, y se puede formar de una placa conformada unida al tubo 70 por soldaduras por puntos o tornillos de fijación o análogos. El ángulo encerrado á entre el eje 60 y la faldilla 83 del cono del soporte de llama 82 puede ser deseablemente de 45º.
En su forma más preferida, el soporte 82 puede tener una pluralidad de agujeros de ¼ pulgada (0,63 cm) 86 distribuidos en una configuración que rodea el tubo 70. Estos agujeros 86 pueden ser idealmente de tamaño y número suficiente de tal manera que aproximadamente 30 por ciento del área superficial del soporte 82 sea zona abierta. Se deberá observar a este respecto, sin embargo, que según los principios y conceptos de la invención, la zona abierta puede ser del orden de menos de aproximadamente 10% a más de aproximadamente 75% del área superficial del soporte 82. Para ello, según la invención, el soporte puede ser de varios diámetros diferentes dependiendo del diámetro del agujero principal del quemador al horno. El diámetro del soporte 82 puede variar así de un cuarto del diámetro del agujero principal del quemador al horno al mismo diámetro que el agujero principal del quemador al horno. Además, el ángulo á puede ser del orden de desde aproximadamente 30º o menos a aproximadamente 80º o más. También se deberá observar en conexión con lo anterior que la forma del soporte 82 no es crítica, y se puede usar casi cualquier forma a condición de que sea capaz de desviar el combustible que sale de la boquilla 154, 254 y crear una presión baja 300 hacia abajo del soporte de llama 82 que sirve para llevar la mezcla combustible a una zona de estancamiento a baja velocidad donde se puede estabilizar y mantener el encendido.
La tobera 78 puede ser deseablemente de la forma ilustrada en la figura 14 donde se representa incluyendo una base 88 hecha de una pieza perforada y maquinada de barra hexagonal y una porción de copa superior de forma cilíndrica 90 que tiene un extremo superior abierto 92. La base 88 puede estar provista de agujeros 94 y la porción de copa 90 puede estar provista de agujeros 96, agujeros 94, 96 que pueden estar dimensionados y colocados según sea necesario para lograr los resultados deseados para la tobera 78 al proporcionar la llama primaria deseada. La porción de copa 90 impide que la llama sea expulsada del extremo abierto 87 de la base 88 por corrientes de gas ambiente. En ausencia de tales corrientes, la porción de copa 90 puede no ser necesaria.
La disposición ilustrada esquemáticamente en las figuras 11, 13 y 14 proporciona un rendimiento de NO_{x} sumamente bueno. Como se ha explicado anteriormente, el concepto de múltiples tubos venturi permite la provisión de una premezcla ultra pobre en combustible que conduce a una reducción sustancial de NO_{x}. Cuando el concepto de múltiples tubos venturi se acopla con la disposición de las figuras 11, 13 y 14, se puede lograr emisiones de NO_{x} incluso más bajas como resultado de la zona de estabilización a velocidad baja de la premezcla ultra pobre.
Con referencia de nuevo a la figura 11, se prefiere con frecuencia introducir solamente una porción pequeña, tal vez no más de aproximadamente 10%, y deseablemente 2% o menos, del total de combustible mediante el mechero 76 y usarla para sacar aire de la caja de aire 50. El combustible y aire se premezclan en el tubo 70 que entra a través del centro del quemador. Como se ha mencionado anteriormente, en algunos casos puede ser deseable suministrar un combustible bruto a través del tubo 70. El tubo 70 pasa a través de la boquilla de gas de premezcla primaria 154 y termina en la tobera protegida 78 situada a cierta distancia encima de la boquilla de premezcla primaria o principal 154. Esta distancia puede variar desde menos de aproximadamente 3 pulgadas (7,6 cm) a 15 pulgadas (38,7 cm) o más, dependiendo de la velocidad y presión de la premezcla cuando sale de la boquilla 154 y el tamaño del quemador. Así, se establece una pequeña llama primaria en la tobera elevada 78 en una posición encima del extremo superior 156 de la boquilla de premezcla principal 154. El soporte de llama en forma de cono 82, fabricado de chapa perforada, está situado justo debajo de la tobera elevada 78 para proporcionar una posición para que la premezcla principal de la boquilla 154 sea aspirada a la llama estabilizante primaria creada junto a la tobera 78. Así, el cono 82 y la tobera primaria 78 proporcionan un mecanismo para mantener una llama estable en la premezcla ultra pobre en combustible suministrada desde la boquilla 154. Una vez que se ha establecido una llama estable, la llama primaria generada en el extremo de salida 92 de la tobera 78 se puede apagar para proporcionar incluso mayor reducción de NO_{x}.
La colocación de la llama primaria de la manera antes descrita a una distancia sustancial de la salida de la boquilla principal de quemador 154 proporciona una oportunidad para que la mezcla principal de aire/combustible se expanda y ralentice después de salir de la boquilla principal 154. Esta ralentización de la premezcla a una velocidad no superior a la velocidad de llama es deseable para estabilizar la llama de la premezcla ultra pobre en combustible. Un problema significativo que se produce cuando se utiliza una mezcla combustible ultra pobre en combustible es que la velocidad de la llama varía directamente con el contenido de combustible. Así, la velocidad de la llama es muy baja en una mezcla de combustible ultra pobre. La temperatura de la mezcla también puede afectar a la velocidad de la llama con temperaturas más altas dando lugar a velocidades más altas de la llama y viceversa. Es decir, cuando la mezcla combustible es ultra pobre en combustible, por lo que contiene un exceso muy grande de aire, la velocidad del flujo de salida de la boquilla principal de quemador puede exceder de la velocidad de la llama, una condición que da lugar a soplado de la llama de la boquilla de quemador.
Retardando el encendido hasta después de que la mezcla principal de aire combustible ha salido de la boquilla y se ha expandido al espacio de horno, ha ralentizado su velocidad, y se ha calentado incrementalmente por radiación de los entornos calientes, se crea una situación donde la velocidad de la llama excede de nuevo de la velocidad de flujo y por lo tanto la llama se mantiene fácilmente en una condición estable en la zona de estabilización proporcionada por la tobera elevada 78 y el soporte 82. El encendido y la combustión del gas principal de modo estabilizado en la zona de velocidad baja, a una distancia sustancial de la boquilla de la salida de la premezcla principal, produce una reducción de NO_{x} no obtenible previamente, que se aproxima a 5 ppm en gas natural e incluso a menos de 3 ppm en un gas combustible de mezcla de refinería (por ejemplo, 25% hidrógeno, 25% propano, 50% metano). Además de lo anterior, la premezcla pobre en combustible ya diluida arrastra productos de combustión de horno después de salir de la boquilla principal y mientras se expande y ralentiza y por lo tanto se diluye incluso más antes del encendido. Esto también contribuye a la mayor reducción de NO_{x}.
Según el dispositivo ilustrado en la figura 11, es posible que el tubo venturi central 72 funcione con una mezcla bastante pobre pero dentro de límites de inflamabilidad estable, y que el colector multiventuti/común circundante 140 se mueva a mezclas muy pobres que pueden estar incluso por debajo del límite de inflamabilidad y tendrán que depender de la temperatura del horno para completar la oxidación del combustible.
Según otro aspecto de la invención, la mezcla de combustible/aire en el tubo 70 la puede suministrar un grupo que incluye una pluralidad de tubos venturi 32. Esta disposición se ilustra esquemáticamente en la figura 11A. En este caso, el conjunto general incluye deseablemente dos grupos venturi separados, uno exterior que suministra una premezcla de aire/combustible a la boquilla de quemador 154 y otro interior que suministra una premezcla de aire/combustible al tubo 70. Otro conjunto alternativo donde el grupo multiventuri está completamente rodeado por el grupo venturi exterior se ilustra esquemáticamente en la figura 16. Como se representa en la figura 16, el grupo venturi exterior incluye los tubos venturi 32 y el colector común 140, mientras que el grupo venturi interior incluye los tubos venturi 72 y el colector común 340. En los casos en que el dispositivo incluye un grupo multiventuri interior colocado dentro de un grupo multiventuri exterior, el grupo interior puede operar dentro de límites de inflamabilidad estable y el grupo exterior puede operar de manera que proporcione una premezcla de aire/combustible sumamente pobre en combustible para maximizar las condiciones necesarias para la reducción de NO_{x}. Se contempla que este tipo de disposición facilitará la construcción de quemadores muy grandes que tienen hasta seis o más tubos venturi en el grupo interior y hasta doce o más tubos venturi en el grupo exterior.
Con referencia ahora a la figura 12, se puede ver que los principios y conceptos de la invención se aplican también a quemadores radiantes donde la premezcla se dirige radialmente desde la boquilla 354. A este respecto, se hace referencia a la solicitud de Estados Unidos, en tramitación, número de serie 09/803.808, presentada el 12 de marzo de 2001, del mismo cesionario, cuya descripción total se incorpora aquí por referencia específica. Así, el conjunto de quemadores 320 representado esquemáticamente en la figura 12 incluye la boquilla de quemador 354, que está alargada en una dirección que se extiende axialmente a través del conjunto de quemadores, y está adaptada y dispuesta para dirigir la única corriente mezclada recibida del colector 40 a la zona de combustión 56 en una dirección generalmente radial con relación al eje 60. Así, la boquilla de quemador 354 está adaptada y dispuesta para crear una llama plana redonda que rodea la boquilla 354. Con referencia adicional a la figura 12, el conjunto 320 también puede incluir un tubo central 170 para suministrar combustible secundario a la zona de combustión mediante una tobera 178.
En una forma especialmente preferida de la invención, la boquilla de quemador 354 puede estar en la configuración ilustrada en las figuras 8 y 9, donde se puede ver que la boquilla 354 tiene una porción de base generalmente en forma de aro 98 y un eje central 100. Además, la boquilla 354 tiene una pluralidad de nervios curvados longitudinalmente, alargados, yuxtapuestos, espaciados circunferencialmente 102. Los nervios 102 tienen respectivos primeros extremos 104 que se montan en la porción de base 98, y respectivos segundos extremos 106 que están espaciados de la porción de base 98. Como se puede ver, los segundos extremos 106 están situados más próximos al eje 60 que los primeros extremos 104. Los nervios 102 y la porción de base 98 definen un área 108 dentro de la boquilla 354 que está adaptada para recibir un flujo de la única mezcla de combustible y aire del colector 40. Los nervios 102 definen una multiplicidad de ranuras curvadas 110 entremedio. Como se puede ver por las figuras 8 y 9, estas ranuras 110 están dispuestas y colocadas de tal manera que la mezcla en la zona 108 pueda fluir desde la zona 108 y hacia fuera a la zona de combustión 56 fuera de la boquilla 354 en una dirección radial y en una dirección que incluye un vector que se extiende a lo largo de eje 60.
En su forma preferida ilustrada en las figuras 8 y 9, la boquilla 354 también puede incluir una porción de corona 112 que está conectada a los respectivos segundos extremos 106 de la boquilla 354. Deseablemente, la porción de corona 112 puede incluir una pluralidad de discontinuidades que se extienden axial y radialmente 114 que están alineadas con algunas ranuras 110 de tal manera que la mezcla que sale de la zona 108 a través de las discontinuidades 114 tenga una dirección axial de flujo más pronunciada que la mezcla que sale de la zona 108 a través de las ranuras 110 propiamente dichas. Idealmente, las discontinuidades 114 se pueden colocar para hacer que la mezcla dirigida axialmente fluya a su través para crear una zona mezcladora pregraduada 116 (véase la figura 12) que está fuera de la zona de combustión 56 donde la mezcla de combustible y aire que fluye a través de las discontinuidades 114 puede circular en la zona 116 en una dirección indicada con las flechas 115 para diluirse con gases de combustión antes de volver a la zona de combustión donde se quemará. En comparación, la dirección de flujo de la premezcla que fluye desde las ranuras 110 se ilustra esquemáticamente con las flechas 117. En una forma especialmente preferida de la invención, la porción de corona 112 de la boquilla 354 puede estar provista de un agujero central alineado axialmente de acomodación de tobera 118.
En un aspecto, la invención proporciona un quemador de pared radiante que incluye un grupo compuesto de tubos venturi y por lo tanto es capaz de lograr altas difusiones de calor con premezcla a 100%. Esto no era posible antes de la presente invención. En el pasado, las más altas difusiones de calor alcanzables eran alrededor de 1,7 MMBTU/h (1,79 Gj/h) con aire secundario. Sin embargo, se ha de notar que el aire secundario produce típicamente más NO_{x} que cuando todo el aire se suministra como una premezcla de aire/combustible en la sección de tubos venturi. Esta barrera se ha roto ahora con el nuevo diseño aquí descrito que incluye un grupo compuesto de tubos venturi que consta de una pluralidad de tubos venturi dispuestos en un solo grupo para flujo paralelo de fluido.
La invención proporciona NO_{x} bajo con combustible graduado, bajo ruido en algunas configuraciones, chorros graduados de gas que arrastran los gases de combustión fuera del quemador, rápido alivio de NO_{x}, simplicidad de la operación sin ajustes del aire secundario, perfil de llama corta, altas relaciones de reducción con mayores velocidades de la boquilla de premezcla, alta estabilidad, mínimas emisiones de CO, boquilla de premezcla más fría (con flujo másico añadido y mayor transferencia de calor), y mínimos problemas de retorno con mayor velocidad de la boquilla.
La invención se refiere a un diseño multiventuri que, entre otras cosas, puede proporcionar aire excesivo para mezclas de combustible ultra pobres para aplicaciones de premezcla. En particular, la invención puede ser útil en conexión con quemadores de pared radiante o con quemadores que proporcionan una llama axial. La invención también es útil en conexión con quemadores calentadores de procesos grandes con la mezcla de combustible primaria hecha de 100% o premezcla parcial como un mecanismo reductor de NO_{x}. Pero también se ha de notar que el diseño multiventuri de la invención tiene aplicabilidad general y se puede extrapolar para uso general siempre que se necesiten tubos venturi. En particular, el diseño multiventuri de la invención arrastra más aire que el que previamente se consideraba posible mediante una mayor transferencia y difusión de masa. Además, el diseño multiventuri de la invención tiene aplicación beneficiosa en la ventilación típica de depósitos y cubas, manipulación del aire, transporte y manipulación de sólidos y en cualquier lugar donde pueda ser necesario un tubo venturi corto para mover grandes masas de materiales.
En el pasado, los quemadores de pared radiante no eran capaces de alcanzar difusiones de calor superiores a 1,5 MMBtu/h (1,58 Gj/h) sin el uso de alguna otra fuente de aire. Con el uso de múltiples tubos venturi en paralelo, se pueden alcanzar difusiones de calor superiores a 10 MMBtu/h (10,6 Gj/h) con la geometría correcta y se minimiza la atención al detalle haciendo segura la interacción entre tubos venturi.
En una configuración, según la invención, es posible aplicar la invención a quemadores modulares donde se puede añadir eductores venturi para aumentar la capacidad o reducir NO_{x}. En este concepto, se puede instalar un quemador con múltiples tubos venturi y se puede mejorar posteriormente con tubos venturi adicionales para incrementar la capacidad o añadir vapor o gases de combustión u otros gases inertes para reducir NO_{x}. En otra configuración la invención no se limita a usar sólo gases de combustión como un diluyente para reducir NO_{x}, sino que se puede usar con cualquier otro diluyente que añada masa para enfriar la llama. Tales diluyentes pueden oscilar desde cualquier gas inerte tal como nitrógeno o vapor o CO_{2} a combustibles de BTU bajo como gas PSA de refinería u otras corrientes de vapor o gas cargadas de combustible con cualquier porcentaje de gas combustible.
En otras configuraciones, la presente invención se puede aplicar a muchos diseños diferentes de quemadores calentadores de proceso que se pueden montar en el suelo o techo del horno en lugar de la pared lateral. Estos pueden crear llamas autónomas y redondas o planas o de otra forma. Pueden funcionar en hornos que no requieren que la pared sea calentada por la llama.
En otras configuraciones, en lugar de combustible que se usa como el fluido motor en uno o varios eductores, se puede usar vapor u otros gases diluyentes comprimidos como los caracterizados anteriormente como el fluido motor.
Los quemadores de pared radiante típicos usan la fuerza motriz de un solo mechero de gas para arrastrar aire de la atmósfera. Este nuevo concepto de utilizar múltiples tubos venturi o eductores en paralelo añade una nueva dimensión a la industria de la combustión. Los puntos fuertes de la presente invención, cuando se aplican a la tecnología de quemadores, son los siguientes:
(1) Llama más corta debido a mejor homogeneidad de gas y aire;
(2) Son posibles grandes relaciones de reducción (10:1 en contraposición a 3:1 para dispositivos de la técnica anterior);
(3) Menor ruido alrededor del quemador;
(4) Las losas no se someten a puntos calientes creados por chorros de combustión que perforan la losa;
(5) Con premezcla a 100% no se requiere registro secundario;
(6) La operación del quemador es muy estable;
(7) El quemador es capaz de funcionar subestequiométricamente sin retorno;
(8) Capacidad de reducir NO_{x} instantáneo y térmico con inyección y mezcla de gases de combustión;
(9) La graduación del combustible se logra fácilmente con una sola boquilla interna o múltiples boquillas radiales;
(10) Se minimiza el retorno con combustibles volátiles con velocidades de boquilla más altas; y
(11) Se logran difusiones de calor mucho mayores que las que previamente se consideraban posibles.
Según los conceptos y principios de la invención, un quemador que incluye el nuevo grupo compuesto de tubos venturi que es la materia de la descripción anterior se puede diseñar para encendido hacia arriba, hacia abajo u horizontalmente. Además, el quemador multiventuri de la invención puede ser usado para quemar combustibles líquidos como aceite combustible. Por consiguiente, con mínima dificultad y con mínimos cambios físicos, el quemador se puede aplicar a dispositivos de encendido combinados. También se deberá observar que el quemador de la invención es fácilmente adaptable a varias formas. Por ejemplo, el quemador se podría configurar como una forma rectangular u otra deseada, en lugar del diseño de llama redonda descrito anteriormente.
También es claro por la descripción anterior que la invención contempla el uso de un grupo de tubos venturi en combinación con un tubo central de combustible que proporciona una premezcla de combustible/aire a una tobera de llama central primaria o un combustible puro a una tobera central que suministra combustible secundario a una zona de combustión.
También es claro que los principios y conceptos de la invención se pueden aplicar para proporcionar un dispositivo quemador grande que puede incluir un grupo interior de múltiples tubos venturi situados dentro de un grupo exterior de múltiples tubos venturi.
La presente invención proporciona varias características nuevas que son útiles en combinación o solas en conexión con quemadores y/o conjuntos de quemador adaptados para quemar combustibles fluidos. Estos combustibles fluidos pueden ser aceite combustible o análogos, pero pueden ser preferiblemente un combustible gaseoso tal como gas natural, propano, butano o hidrógeno, o análogos.

Claims (28)

1. Una estructura de tubos venturi compuesta incluyendo:
un grupo de tubos venturi (30) incluyendo al menos dos tubos venturi (32), teniendo cada tubo venturi indicado una porción de cuerpo venturi principal alargada que define un conducto, una entrada de tubo venturi (34) y una salida de tubo venturi (38), estando dispuesto y adaptado cada tubo venturi indicado para inducir el flujo de un material inducido pasando un fluido inductor a su través, por lo que mezclas respectivas de materiales inducidos y fluidos inductores son descargadas por dichas salidas;
un colector alargado (40) adaptado y dispuesto para recibir las respectivas mezclas de fluidos inductores y materiales inducidos descargadas de dichos tubos venturi, y recoger y entremezclar dichas mezclas para presentar una sola corriente mezclada de dichos fluidos y materiales, teniendo dicho colector una pared periférica exterior que define una cámara mezcladora interna, un extremo de entrada (42), un extremo de salida (62) y un eje central que se extiende longitudinalmente (60) entre dichos extremos;
caracterizado porque dichas porciones de cuerpo venturi principales alargadas están dispuestas en paralelismo sustancial con relación a dicho eje central, y
porque respectivos segmentos tubulares alargados (39) para los tubos venturi (32) están adaptados y dispuestos para interconectar e intercomunicar el extremo de entrada (42) del colector (40) con dichas salidas de tubo venturi (38), teniendo cada segmento tubular indicado una entrada conectada a la salida de un tubo venturi correspondiente y una salida conectada al extremo de entrada del colector, y disponiéndose cada segmento de manera que se extienda hacia fuera lejos del extremo de entrada del colector a un ángulo con relación a dicho eje central (60) de manera que la entrada del segmento tubular así como la entrada (34) del tubo venturi correspondiente (32) se coloquen en posiciones que están espaciadas radialmente de dicho eje central una mayor distancia que la distancia desde el eje al lugar donde la salida del segmento tubular está conectada al colector (40).
2. Una estructura de tubos venturi como se expone en la reivindicación 1, donde dichas entradas de tubo venturi (34) están esencialmente en el mismo plano.
3. Una estructura de tubos venturi compuesta como se expone en la reivindicación 1 o 2, donde dicho grupo (30) incluye al menos tres de dichos tubos venturi (32).
4. Una estructura de tubos venturi compuesta como se expone en la reivindicación 3, donde dicho grupo (30) incluye al menos seis de dichos tubos venturi (32).
5. Una estructura de tubos venturi compuesta como se expone en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde el extremo de entrada (36) de cada tubo venturi tiene forma de campana.
6. Una estructura de tubos venturi compuesta como se expone en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde dicho material es un fluido.
7. Una estructura de tubos venturi compuesta como se expone en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde dicho material es un sólido fluido.
8. Una estructura de tubos venturi compuesta como se expone en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde dichos tubos venturi (32) tienen esencialmente la misma capacidad física.
9. Una estructura de tubos venturi compuesta como se expone en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde al menos uno de dichos tubos venturi (72) tiene una capacidad física diferente de otros de dichos tubos venturi (32).
10. Una estructura de tubos venturi compuesta como se expone en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, incluyendo un tubo central (70) que se extiende a través de dicho colector a lo largo de dicho eje.
11. Una estructura de tubos venturi compuesta como se expone en la reivindicación 10, donde dicha estructura incluye un tubo venturi (72) conectado en un extremo situado hacia arriba (74) del tubo central (70).
12. Una estructura de tubos venturi compuesta como se expone en la reivindicación 10, donde dicha estructura incluye un grupo de múltiples tubos venturi conectado a un extremo situado hacia arriba del tubo central (70).
13. Una disposición de tubos venturi compuesta incluyendo una primera estructura de tubos venturi compuesta como se expone en la reivindicación 1 y una segunda estructura de tubos venturi compuesta, incluyendo dicha segunda estructura de tubos venturi compuesta (i) un grupo de tubos venturi incluyendo al menos dos tubos venturi (72), teniendo cada uno de dichos tubos venturi una entrada, una garganta y una salida, y estando dispuesto y adaptado cada uno para producir el flujo de un material inducido pasando un fluido inductor a su través, por lo que respectivas mezclas de materiales inducidos y fluidos inductores son descargadas por dichas salidas, y (ii) un colector (340) que tiene un extremo de entrada que está conectado y dispuesto en comunicación de fluido con las salidas de dichos tubos venturi, por lo que las respectivas mezclas de fluidos inductores y materiales inducidos descargadas por dichas salidas se recogen y entremezclan para presentar una sola corriente mezclada de dichos fluidos y materiales, donde los tubos venturi de la primera estructura de tubos venturi compuesta están espaciados y su colector es anular de manera que proporcione un espacio central, disponiéndose dicha segunda estructura de tubos venturi compuesta en dicho espacio central.
14. Un conjunto de quemadores incluyendo una estructura de tubos venturi compuesta como se expone en la reivindicación 1 y una boquilla de quemador (54) unida a y en comunicación de fluido con un extremo de salida de dicho colector (40), donde dicho material inducido es un fluido, donde dicha única corriente mezclada incluye fluidos, y donde dicha boquilla está dispuesta para recibir dicha única corriente mezclada de fluidos de dicho colector y dirigirla a una zona de combustión (56).
15. Un conjunto de quemadores como se expone en la reivindicación 14, donde dichas entradas de tubo venturi (34) están esencialmente en el mismo plano.
16. Un conjunto de quemadores como se expone en la reivindicación 14 o 15, donde cada dicho tubo venturi (32) está dispuesto y adaptado para inducir un flujo de aire recibiendo un combustible gaseoso en su entrada y permitiendo que el combustible gaseoso pase a través de dicho conducto, creando una mezcla de combustible ultra pobre de dicho aire y dicho combustible, y descargando una mezcla de combustible ultra pobre de aire y combustible por su salida indicada.
17. Un conjunto de quemadores como se expone en la reivindicación 14 o 15, donde al menos uno de dichos tubos venturi (32) está adaptado y dispuesto para operación con un combustible gaseoso como el fluido inductor.
18. Un conjunto de quemadores como se expone en la reivindicación 17, donde dicho al menos único de dichos tubos venturi (32) está adaptado y dispuesto para operar con aire como el fluido inducido, por lo que dicha única corriente mezclada incluye un combustible fluido y aire.
19. Un conjunto de quemadores como se expone en la reivindicación 17, donde dicho al menos único de dichos tubos venturi está adaptado y dispuesto para operación con gases de combustión recirculados como el fluido inducido, por lo que dicha única corriente mezclada incluye un combustible fluido y gases de combustión recirculados.
20. Un conjunto de quemadores como se expone en la reivindicación 18, donde otro de dichos tubos venturi (32) está adaptado y dispuesto para operación con un combustible gaseoso como el fluido inductor y con gases de combustión recirculados como el fluido inducido, por lo que dicha única corriente mezclada incluye un combustible fluido, aire y gases de combustión recirculados.
21. Un conjunto de quemadores como se expone en la reivindicación 17, donde dicho al menos único de dichos tubos venturi (32) está adaptado y dispuesto para operación con un diluyente inerte de combustión como el fluido inducido, por lo que dicha única corriente mezclada incluye un combustible fluido y dicho diluyente inerte de combustión.
22. Un conjunto de quemadores como se expone en la reivindicación 21, donde dicho diluyente es vapor.
23. Un conjunto de quemadores como se expone en la reivindicación 21, donde dicho diluyente es nitrógeno.
24. Un conjunto de quemadores como se expone en la reivindicación 14 o 15, donde cada uno de dichos tubos venturi está adaptado y dispuesto para operar usando un combustible gaseoso como el fluido inductor y con aire como el fluido inducido, por lo que dicha única corriente mezclada incluye un combustible gaseoso y aire.
25. Un conjunto de quemadores como se expone en la reivindicación 14 o 15, donde dicho fluido inductor es un combustible gaseoso.
26. Un conjunto de quemadores como se expone en la reivindicación 14 o 15, donde dicho fluido inductor es un aceite combustible.
27. Un conjunto de quemadores como se expone en la reivindicación 14, 15, 25 o 26, donde dicho fluido inducido incluye aire.
28. Un conjunto de quemadores como se expone en la reivindicación 21, donde dicho diluyente es CO_{2}.
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