ES2305755T3 - Intercambiadores de calor, procedimiento para fabricar un intercambiador de este tipo y caldera que comprende un intercambiador de este tipo. - Google Patents
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Abstract
Un intercambiador de calor para una caldera de gas para generar agua caliente; comprendiendo el intercambiador de calor (4) una envoltura (13) que se extiende a lo largo de un primer eje (A1) y a través de la cual fluyen humos de combustión; un tubo (14) a lo largo del cual fluye agua y que está alojado dentro de dicha envoltura (13), se extiende a lo largo de un segundo eje (A2) y se enrolla alrededor del primer eje (A1) para formar una serie de espiras (19); y medios deflectores (15) para dirigir los humos entre espiras sucesivas (19) en una primera dirección (D1); estando caracterizado el intercambiador de calor (4) porque dicho tubo (14) comprende al menos dos primeras aletas (25) paralelas entre sí y ubicadas en el mismo lado del tubo (14) y dos segundas aletas (26) paralelas entre sí y ubicadas en el lado opuesto a las primeras aletas (25); siendo paralelas dichas primeras y dichas segundas aletas (25, 26) a dicho segundo eje (A2) y a dicha primera dirección (D1).
Description
Intercambiador de calor, procedimiento para
fabricar un intercambiador de este tipo y caldera que comprende un
intercambiador de este tipo.
La presente invención se refiere a un
intercambiador de calor.
Más específicamente, la presente invención se
refiere a un intercambiador de calor para una caldera de gas para
generar agua caliente.
Una caldera de gas para generar agua caliente
comprende normalmente un quemador de gas y al menos un
intercambiador de calor a través del cual fluyen los humos de
combustión y el agua. Algunos tipos de calderas de gas, conocidas
como calderas de condensación, condensan el vapor de los humos de
combustión y transfieren el calor latente de los humos al agua. Las
calderas de condensación se dividen adicionalmente en un primer
tipo, equipado con un primer intercambiador cerca del quemador y
con un segundo intercambiador para simplemente condensar los humos;
y un segundo tipo, equipado con sólo un intercambiador de calor que
proporciona únicamente intercambio térmico a lo largo de una
primera parte y tanto intercambio térmico como condensación de humos
a lo largo de una segunda parte. Los intercambiadores de
condensación o de doble función del tipo anterior comprenden
normalmente una envoltura que se extiende a lo largo de un primer
eje y a través de la cual fluyen los humos de combustión; y un tubo
a lo largo del cual fluye el agua y que se extiende a lo largo de un
segundo eje y se enrolla alrededor del primer eje para formar una
serie de espiras. Un intercambiador de calor de este tipo se
desvela en el documento EP1281919. Los humos de combustión fluyen
sobre y entre las espiras para transferir calor al agua que fluye a
lo largo del tubo. En algunos intercambiadores, el tubo en espiral
tiene aletas que se extienden perpendicularmente al eje del tubo.
Esta solución técnica proporciona un alto grado de intercambio
térmico, pero las aletas son caras de fabricar. En otros
intercambiadores, el tubo en espiral tiene una sección de flujo
rebajada, lo que es una solución técnica más económica, aunque mucho
menos eficaz en cuanto al intercambio de calor, que la solución del
tubo con aletas.
Es un objeto de la presente invención
proporcionar un intercambiador de calor para una caldera de gas para
generar agua caliente, que sea extremadamente eficaz en cuanto al
intercambio de calor, mientras que al mismo tiempo sea económico en
su fabricación.
Según la presente invención, se proporciona un
intercambiador de calor según la reivindicación 1.
La presente invención también se refiere a un
procedimiento para fabricar un intercambiador de calor.
Según la presente invención, se proporciona un
procedimiento para fabricar un intercambiador de calor, según la
reivindicación 15.
La presente invención también se refiere a una
caldera de gas.
Según la presente invención, se proporciona una
caldera de gas según la reivindicación 19.
Se describirán varias realizaciones no
limitativas de la presente invención a modo de ejemplo con
referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 muestra una vista frontal
esquemática, con partes en sección y partes omitidas para una mayor
claridad, de una caldera de gas equipada con un intercambiador de
calor según la presente invención;
la Figura 2 muestra una sección a mayor escala
de un detalle del intercambiador de calor de la figura 1;
la Figura 3 muestra una vista en perspectiva de
un tubo usado para fabricar el intercambiador de la figura 1;
la Figura 4 muestra el tubo de la figura 3
parcialmente enrollado;
la Figura 5 muestra una vista en perspectiva a
mayor escala de una parte componente del intercambiador de la figura
1;
la Figura 6 muestra una vista en perspectiva,
con partes omitidas para una mayor claridad, del intercambiador de
calor que está montándose;
la Figura 7 muestra una vista lateral del
intercambiador de calor de la figura 6;
la Figura 8 muestra una sección de una variación
del tubo de la figura 3.
El número 1 en la figura 1 indica como un todo
una caldera de gas. La caldera 1 es una caldera de condensación
montada en la pared, es decir, en la que el vapor de los humos de
combustión se condensa, y comprende una estructura exterior 2 en la
que están alojados un quemador 3; un intercambiador de calor 4; un
conducto de suministro de gas 5; una tubería 6 para suministrar una
mezcla de aire y gas al quemador 3; una tubería de escape de gas de
combustión 7; un ventilador 8 conectado a la tubería de suministro 6
y que realiza la doble función de suministrar la mezcla de aire y
gas al quemador 3 y de expulsar los humos de combustión; y un
circuito de agua 9. La estructura 2 comprende una pared trasera 10
fijada a una pared de soporte (no mostrada) y que soporta las
partes componentes de la caldera 1; una pared superior 11; dos
paredes laterales 12; y una pared delantera no mostrada en los
dibujos adjuntos. El quemador 3 está conectado a la tubería 6,
tiene forma cilíndrica y comprende una pared lateral con orificios
(no mostrada) para emitir la mezcla de aire y gas y alimentar la
llama. El quemador 3 está alojado dentro del intercambiador 4 que,
de hecho, también actúa como una cámara de combustión. El
intercambiador de calor 4 tiene una forma sustancialmente
cilíndrica, se extiende a lo largo de un eje sustancialmente
horizontal A1 paralelo a la pared trasera 10 y comprende una
envoltura 13, a través de la cual fluyen los productos de
combustión; un tubo con aletas 14 a lo largo del cual fluye el
agua; y un disco 15 para dirigir los gases quemados a lo largo de
una trayectoria dada dentro del intercambiador 4. La envoltura 13
comprende una pared lateral cilíndrica 16 alrededor del eje A1; una
pared anular 17 conectada a la pared lateral 16, a la tubería de
suministro 6 y al quemador 3; y una pared anular 18 conectada a la
pared lateral 16 y a la tubería de escape 7. El quemador 3 se
extiende una longitud dada, coaxialmente con el intercambiador 4,
dentro del intercambiador 4. El tubo 14 se enrolla alrededor del
eje A1 para formar una sucesión de espiras adyacentes 19, ubicada
cada una cerca de la pared lateral 16, y tiene dos extremos
opuestos con accesorios conocidos (no mostrados) para conectar el
tubo 14 al circuito de agua 9 fuera del intercambiador 4. El disco
15 tiene un borde lateral delgado 20 que se engancha a las espiras
19. Es decir, el disco 15 está roscado a las espiras 19 en la
posición deseada a lo largo del eje A1 y en una posición
sustancialmente perpendicular al eje A1.
El intercambiador 4 comprende tres espaciadores
21 parecidos a un peine para mantener separadas las espiras 19 una
distancia dada y a una distancia dada de la pared lateral 16. Tal
como se muestra más claramente en la figura 5, cada espaciador 21
comprende una parte recta 22 paralela al eje A1 y desde la cual
sobresalen los dientes 23, cada uno de los cuales está interpuesto
entre dos espiras adyacentes 19. El tubo 14, el disco 15 y los
espaciadores 21 definen, dentro de la envoltura 13, una región B1
que aloja el quemador 3; una región B2 que se comunica directamente
con la tubería de escape 7; y tres regiones B3, que se extiende
cada una entre dos espaciadores 21, las espiras 19 y la pared
lateral 16. La combustión de la mezcla de aire y gas tiene lugar en
la región B1; y los humos resultantes, a los cuales el disco 15
impide flluir directamente a la región B2, fluyen entre las espiras
19, en una dirección D1 sustancialmente perpendicular al eje A1, a
las regiones B3, a lo largo de las cuales fluyen en una dirección
D2 sustancialmente paralela al eje A1. Tras alcanzar las regiones
B3, los humos fluyen entre las espiras 19 en la dirección D1 a la
región B2 y después a lo largo de la tubería de escape 7.
El tubo 14 está hecho preferentemente de
aluminio o de una aleación basada en aluminio. Con referencia a la
figura 3, el tubo con aletas 14 está extrudido, se extiende a lo
largo de un eje A2 y comprende una pared de sección ovalada 24; dos
aletas 25 en un lado del tubo 14; dos aletas 26 en el lado opuesto a
las aletas 25; un aleta 27 entre las aletas 25; y una aleta 28
entre las aletas 26. La sección transversal del tubo 14 tiene un
eje mayor X y un eje menor Y. Las aletas 25, 26, 27 y 28 son todas
paralelas al eje A2 del tubo 14 y al eje mayor X y son, por tanto,
paralelas entre sí. Las aletas 27 y 28 son coplanares entre sí y
están sustancialmente en el mismo plano que el eje A2 del tubo 14 y
el eje mayor X. Las aletas 25 y 26 están dispuestas de manera que
cada aleta 25 es coplanar con una aleta opuesta 26 y la pared 24
del tubo 14 forma una ligera convexidad entre las aletas coplanares
25 y 26. La máxima extensión de las aletas 25 y 26, en una
dirección paralela al eje mayor X, es aproximadamente una cuarta
parte de la longitud del eje mayor X.
Con referencia a la figura 4, una vez extrudido
con las aletas 25, 26, 27 y 28, el tubo 14 se enrolla alrededor del
eje A1, de manera que el eje A2 del tubo 14 también adopta una forma
en espiral. Esta operación comprende, en realidad, calandrar el
tubo 14, con el eje menor Y de la sección del tubo 14 mantenido
sustancialmente paralelo al eje A1. El tamaño relativamente pequeño
de las aletas 25, 26, 27 y 28 no dificulta la operación de
calandrado y no requiere aletas de entalladura 25, 26, 27, 28. Los
tres espaciadores 21 se fijan entonces entre las aletas 26 de
espiras adyacentes 19 y están dispuestos con una separación de 120
grados para formar, con el tubo enrollado 14, un conjunto que se
inserta dentro de la pared cilíndrica 16 de la envoltura 13 (figuras
6 y 7). Las paredes anulares 17 y 18 se fijan entonces a los
extremos opuestos de la pared cilíndrica 16.
El tubo 14 está enrollado con una separación y
radio constantes, de manera que las aletas 25 y 26 de cada espira
19 están enfrentadas y son paralelas a las aletas 25 y 26 de las
espiras adyacentes 19, tal como se muestra en la figura 2. De este
modo, se forma un espacio entre cada dos espiras adyacentes 19, de
un ancho constante en las aletas 25 y 26 y que se estrecha en las
convexidades de las paredes 24. Los humos fluyen desde la región B1
a las regiones B3 en la dirección D1 hacia la pared 16, después
fluyen en la dirección D2 entre las espiras 19 y la pared 16,
fluyen entre las espiras 19 en la dirección D1 desde las regiones B3
a la región B2 y, finalmente, se expulsan mediante la tubería de
escape 7. Los espacios sucesivos definen por lo tanto trayectorias
de humo obligatorias y están conformados para producir un efecto
venturi que acelera rápidamente los humos. A medida que fluyen
desde la región B1 a las regiones B3, los humos acelerados chocan
con los humos que fluyen en la dirección D2 y con la pared 16,
aumentando así las turbulencias. Y, a media que fluyen desde las
regiones B3 a la región B2, los humos acelerados chocan con los
humos que fluyen de manera relativamente lenta en la región B2 para
aumentar de nuevo las turbulencias. El movimiento turbulento de los
humos es generalmente deseable mejorando el intercambio de
calor.
Por tanto, las aletas 25 y 26 no sólo aumentan
la superficie de intercambio del tubo 14, sino que también aceleran
y, por lo tanto, producen movimiento turbulento de los humos. A este
respecto, debería señalarse que las aletas 27 y 28 proporcionan
principalmente una mejora del intercambio de calor y no participan
en la aceleración de los humos.
Con referencia a la variación de la figura 8,
cuando el tubo 14 es relativamente pequeño, una aleta 25 y una
aleta 26, en lados opuestos del tubo 14, son suficientes para
producir el efecto venturi. Cuando el tubo 14 se hace más grande, se
requieren al menos dos aletas 25 y dos aletas 26 para evitar una
convexidad demasiado marcada en la pared 24 entre una aleta 25 y
una aleta coplanar 26, lo que impediría que el espacio produjese un
efecto venturi.
Según las pruebas realizadas por el solicitante,
el espacio proporciona un intercambio de calor óptimo cuando los
radios dimensionales dados del espacio están ajustados. Con
referencia a la figura 2, Z1 indica la distancia entre dos aletas
enfrentadas 25 ó 26 de dos espiras adyacentes 19 y Z2 la distancia
mínima entre las paredes enfrentadas 24 de las mismas dos espiras
adyacentes 19. Las pruebas realizadas por el solicitante muestran
que la mejor relación Z2/Z1, en cuanto a la eficacia térmica del
intercambiador, es de 1/3, mientras que las relaciones Z2/Z1 de 0,2
a 0,4 se consideran aceptables.
El intercambiador 4 descrito anteriormente
también puede usarse en calderas de condensación que comprenden un
intercambiador principal y en las que el intercambiador 4
proporciona únicamente una condensación de los humos, en lugar de
actuar como una cámara de combustión tal como en el ejemplo
descrito.
El intercambiador 4 descrito anteriormente tiene
numerosas ventajas, combinando una construcción sencilla, como
resultado de las aletas que se forman directamente mediante el
proceso de extrusión del tubo, en lugar de añadirse después de la
extrusión, con un alto grado de eficacia térmica, en virtud de las
aletas que aumentan la superficie de intercambio, y el efecto
dinámico en los humos de las aletas en combinación con el tubo.
Además, el intercambiador 4 es relativamente
fácil de fabricar y puede fabricarse en diferentes longitudes para
cumplir con diferentes requisitos de energía. Para esta finalidad,
las longitudes a lo largo del eje A1 pueden ser múltiplos de una
longitud base y pueden fabricarse espaciadores 21 de una longitud
igual a la longitud base para normalizar la fabricación de los
espaciadores.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante es sólo para utilidad del usuario. No forma parte del
documento de patente europea. Aunque se ha tenido gran cuidado al
recopilar las referencias, no pueden descartarse errores u
omisiones y la OEP niega toda responsabilidad a este respecto.
\bullet EP 1281919 A [0003].
Claims (20)
1. Un intercambiador de calor para una caldera
de gas para generar agua caliente; comprendiendo el intercambiador
de calor (4) una envoltura (13) que se extiende a lo largo de un
primer eje (A1) y a través de la cual fluyen humos de combustión; un
tubo (14) a lo largo del cual fluye agua y que está alojado dentro
de dicha envoltura (13), se extiende a lo largo de un segundo eje
(A2) y se enrolla alrededor del primer eje (A1) para formar una
serie de espiras (19); y medios deflectores (15) para dirigir los
humos entre espiras sucesivas (19) en una primera dirección (D1);
estando caracterizado el intercambiador de calor (4) porque
dicho tubo (14) comprende al menos dos primeras aletas (25)
paralelas entre sí y ubicadas en el mismo lado del tubo (14) y dos
segundas aletas (26) paralelas entre sí y ubicadas en el lado
opuesto a las primeras aletas (25); siendo paralelas dichas
primeras y dichas segundas aletas (25, 26) a dicho segundo eje (A2)
y a dicha primera dirección (D1).
2. Un intercambiador de calor según la
reivindicación 1, caracterizado porque las primeras y las
segundas aletas (25, 26) son continuas sin interrupciones.
3. Un intercambiador de calor según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque las primeras y
segundas aletas (25, 26) son coplanares.
4. Un intercambiador de calor según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado
porque las primeras y segundas aletas (25, 26) de cada espira (19)
son paralelas y están enfrentadas a las primeras y segundas aletas
(25, 26) respectivamente de una espira adyacente (19).
5. Un intercambiador de calor según la
reivindicación 4, caracterizado porque dicho tubo (14)
comprende una pared (24) que forma una convexidad entre las primeras
y segundas aletas (25, 26) para formar, entre dos espiras
adyacentes (19), un espacio de sección variable que producir un
efecto venturi en los humos que fluyen entre dos espiras adyacentes
(19).
6. Un intercambiador de calor según la
reivindicación 5, caracterizado porque una primera distancia
(Z1) entre dos primeras aletas (25) y dos segundas aletas (26) de
dos espiras adyacentes (19) es mayor que una segunda distancia (Z2)
igual a la distancia mínima entre las paredes enfrentadas (24) de
dichas dos espiras adyacentes (19).
7. Un intercambiador de calor según la
reivindicación 6, caracterizado porque la relación de la
segunda distancia (Z2) con la primera distancia (Z1) varía entre
0,2 y 0,4 y es preferentemente de 1/3.
8. Un intercambiador de calor según la
reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque dichas primeras
aletas (25) están enfrentadas a dicho primer eje (A1); estando
enfrentadas dichas segundas aletas (26) a dicha envoltura (13) y
estando ubicadas cerca de dicha envoltura (13).
9. Un intercambiador de calor según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
por comprender una tercera y una cuarta aleta (27, 28); estando
ubicada dicha tercera aleta (27) entre dos primeras aletas (25) y
estando ubicada dicha cuarta aleta (28) entre dos segundas aletas
(26).
10. Un intercambiador de calor según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicho tubo (14) comprende una sección transversal ovalada
con un eje mayor (X) paralelo a las primeras y segundas aletas (25,
26) y un eje menor (Y) perpendicular a las primeras y segundas
aletas (25, 26).
11. Un intercambiador de calor según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
por comprender espaciadores (21) para mantener separadas dichas
espiras (19) una primera distancia dada y a una segunda distancia
dada de la envoltura (13) del intercambiador de calor (4).
12. Un intercambiador de calor según la
reivindicación 11, caracterizado porque los espaciadores (21)
tienen forma de peine; comprendiendo cada espaciador (21) una parte
alargada (22) paralela a dicho primer eje (A1) e interpuesta entre
las espiras (19) y la envoltura (13); y dientes (23), cada uno de
los cuales sobresale desde la parte alargada (22) y está interpuesto
entre las segundas aletas (26) de dos espiras adyacentes (19).
13. Un intercambiador de calor según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicha envoltura (13) comprende una pared lateral cilíndrica
(16) y dos paredes anulares opuestas (17, 18) asociadas con dicha
pared lateral cilíndrica (16).
14. Un intercambiador de calor según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque dicho primer eje (A1) es sustancialmente horizontal.
15. Un procedimiento para fabricar un
intercambiador de calor (4) según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 14, caracterizado por extrudir dicho
tubo (14) y las primeras (25) y segundas (26) aletas para formar un
tubo con aletas recto (14) en una operación de extrusión.
\newpage
16. Un procedimiento según la reivindicación 15,
caracterizado por bobinar el dicho tubo con aletas (14)
alrededor de dicho primer eje (A1) para dar forma de espiral a
dicho tubo (14) y definir dichas espiras (19).
17. Un procedimiento según la reivindicación 16,
caracterizado por fijar dichos espaciadores (21) a dichas
espiras (19) y por insertar dicho tubo (14) y dichos espaciadores
(21) dentro de dicha envoltura (13).
18. Un procedimiento según la reivindicación 17,
caracterizado porque dicho tubo (14) está hecho de aluminio
o de una aleación basada en aluminio.
19. Una caldera de gas de condensación que
comprende un intercambiador de calor (4) según una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 14, comprendiendo dicha caldera de gas (1)
una pared trasera (10) fijada a una pared de soporte; y estando
caracterizada dicha caldera de gas (1) porque dicho primer
eje (A1) es paralelo a dicha pared trasera (10).
20. Una caldera de gas según la reivindicación
19, caracterizada porque dicho primer eje es sustancialmente
horizontal.
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