ES2926102A1 - Recuperador de calor y metodo de recuperacion de calor asociado al mismo - Google Patents

Recuperador de calor y metodo de recuperacion de calor asociado al mismo Download PDF

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Abstract

Recuperador de calor, que comprende; una camisa interior (2, 21, 22) configurada para la circulación de un fluido primario (G) con una energía calorífica (QG) según un sentido de escape (DG) entre una entrada (E) y una salida (S); una camisa exterior (3, 31, 32) dispuesta concéntricamente a la camisa interior (2, 21, 22); y una zona de paso (4, 41, 42) definida entre la camisa interior (2, 21, 22) y la camisa exterior (3, 31, 32) para la circulación a través de la misma de un fluido secundario (A) configurado para absorber una parte de la energía calorífica (QG). Dicho recuperador (1) comprende una primera etapa de intercambio de calor (T1) entre el fluido primario (G) y el fluido secundario (A); y una segunda etapa de intercambio de calor (T2) entre el fluido primario (G) y el fluido secundario (A). Método de recuperación de calor para recuperadores de calor.

Description

DESCRIPCIÓN
RECUPERADOR DE CALOR Y MÉTODO DE RECUPERACIÓN DE CALOR
ASOCIADO AL MISMO
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un recuperador de calor, y más especialmente a un recuperador de radiación o recuperador de alta temperatura para su instalación en chimeneas verticales de salida de humos, u en otros canales de escape de gases de combustión, procedentes de procesos industriales de alto consumo de energía, tales como son las industrias del vidrio, de la frita, de la cerámica y del acero.
La presente invención se refiere también a un método de recuperación de calor para recuperadores de calor.
Antecedentes de la invención
Como resultado de los elevados y crecientes costes de los combustibles fósiles y de la preocupación mundial por el ahorro de los mismos, así como la reducción de los gases invernadero que su combustión origina (Protocolo de Kioto), los recuperadores de calor han adquirido una importancia creciente. Un recuperador de calor absorbe una parte importante de la energía calorífica de los gases generados en la combustión de un combustible sólido, líquido o gaseoso, en un proceso de fusión, calentamiento, tueste, secado, etc. de un determinado producto. La energía calorífica absorbida es transmitida a otro fluido para su aprovechamiento, la mayoría de las veces el aire de combustión para el propio proceso productivo, suponiendo un considerable ahorro de combustible.
Los recuperadores de radiación son intercambiadores de calor que se vienen aplicando en industrias de alto consumo en energía térmica o en plantas termoeléctricas, las cuales cuentan entre sus equipos fundamentales con hornos (de recalentamiento, de forja, de tratamiento) o calderas que trabajan con llama radiante y gases a muy alta temperatura (hasta 1500°C) y que, por tanto, disponen de una gran cantidad de energía térmica a alta temperatura (superiores a 1000°C) que permite una amplia gama de posibilidades de recuperación para diferentes usos industriales. En estos recuperadores, la transferencia de energía calorífica se produce entre un fluido primario (generalmente los gases calientes o gases de la combustión) y un fluido secundario (generalmente aire).
Estos recuperadores de radiación son especialmente indicados cuando la temperatura de humos es superior a 1.000 - 1.050 °C, y cuando los componentes de dichos humos son agresivos con un alto contenido en materia particulada.
Uno de los tipos de recuperadores de radiación conocidos son los denominados recuperadores de doble camisa, los cuales están fabricados mediante dos cilindros concéntricos metálicos que constituyen una camisa interior y una camisa exterior entre las que se define una corona circular o zona de paso. Los gases de combustión o gases calientes (fluido primario) circulan en sentido ascendente por dentro de la camisa interior hasta su salida al exterior. El aire externo (fluido secundario) circula normalmente en sentido descendente a través de la corona circular habilitada entre las dos camisas, es decir, en sentido inverso o a contracorriente respecto al fluido primario. Parte de la energía calorífica del fluido primario es absorbida por el fluido secundario para su posterior aprovechamiento. La circulación del fluido primario a través de la corona se puede realizar helicoidalmente para favorecer el intercambio de calor. La Figura 15 muestra un ejemplo de este tipo de recuperadores de radiación.
Las principales ventajas de los recuperadores de radiación de doble camisa son:
- disminución del consumo de combustible, que en determinadas circunstancias puede superar el 40% de ahorro debido al precalentamiento del aire de combustión;
- ausencia de pérdidas de presión en los humos como consecuencia de su diseño geométrico;
- diseño que facilita su instalación en las chimeneas de humos;
- adecuados para presiones de trabajo de hasta 2.000 mm.c.d.a.; y
- adecuados en aplicaciones en donde los gases de combustión arrastran una considerable cantidad de partículas
La fiabilidad y rendimiento de estos equipos depende fundamentalmente, además del propio diseño del recuperador, de tres factores existentes en la ubicación donde va a ser instado; 1) temperatura de los gases de combustión; 2) composición de los gases de combustión; y 3) presencia de partículas en arrastre. No obstante, de forma general, bajo condiciones de funcionamiento óptimas, la temperatura máxima alcanzada por el fluido secundario se limita normalmente a 650 - 725 °C, y con gases de combustión con nulas o bajas concentraciones de halógenos.
Además, no cuentan con una optimización del empleo de materiales que tenga presente los perfiles de temperatura longitudinales que se producen a lo largo del recuperador. Utilizándose normalmente un mismo material de intercambio de calor para cada camisa, tanto para su tramo de mayor temperatura (próximo a la entrada de los gases de combustión), como para su tramo de menor temperatura (próximo a la salida de los gases de combustión), así como para los tramos intermedios entre éstos. Por ello, se tiende a incurrir normalmente en una elección de materiales constructivos poco eficientes y/o no los más adecuados para determinados tramos y/o elementos del recuperador. Ello redunda a su vez, en un sobrecoste excesivo e innecesario de los recuperadores, ya que dichos materiales suelen ser aleaciones metálicas muy especiales y de elevado coste.
Este aspecto puede producir también afectaciones, daños y/o disfunciones sobre ciertas zonas del recuperador desproporcionadas respecto a otras partes del equipo, dado que no hay una distinción de materiales optimizada para cada zona. Por ejemplo, con una camisa interior fabricada mediante un mismo material a lo largo de toda su longitud, ésta se puede ver mucho más afectada en su parte inferior (donde los gases de combustión presentan mayor temperatura y mayor exposición radiativa) que en su parte superior (donde la temperatura de los gases ya se ha reducido y no resulta tan severa).
Finalmente, tampoco cuentan los recuperadores de radiación conocidos con una optimización de los parámetros de fluidodinámica y termodinámica para determinar las formas reales de circulación de flujos por el interior de la camisa, a fin de mejorar la transferencia de calor entre el fluido primario y secundario, así como su fiabilidad y rendimiento de estos equipos.
El recuperador de calor de la presente invención resuelve los problemas anteriormente expuestos mediante una configuración funcional que permite precalentar el aire por encima de los límites actuales, con valores cercanos a los 850 °C. Asimismo, presenta también un diseño constructivo que optimiza fiabilidad, rendimiento y costes, mediante una distribución longitudinal de distintos materiales, combinados convenientemente formando parte de un mismo elemento (camisa interior; camisa exterior; bridas, tolvas y colectores de entrada y salida) para aprovechar al máximo sus prestaciones y propiedades en función del tramo o zona del recuperador (zona de alta temperatura, zona de baja temperatura, zonas intermedias...), y seleccionados en función del perfil longitudinal de temperaturas previsto para cada aplicación. Pudiendo con ello alcanzar dichos valores de temperatura incluso en condiciones extremas como pueden ser; con gases de combustión con presencia de múltiples sustancias nocivas como halógenos, azufre y partículas, mayores concentraciones de componentes químicos corrosivos, mayor concentración de partículas, etc.
Todo ello redunda en una mejora de la eficiencia energética del proceso, una disminución del consumo de combustible, una reducción de las emisiones de CO2 emitidas y, por tanto, un ahorro económico significativo para la industria.
Descripción de la invención
El recuperador de calor de la presente invención es el del tipo de los que comprenden: - una camisa interior configurada para la circulación por el interior y largo de la misma de un fluido primario con una energía calorífica según un sentido de escape entre una entrada y una salida;
- una camisa exterior dispuesta concéntricamente a la camisa interior; y
- una zona de paso definida entre la camisa interior y la camisa exterior para la circulación a través de la misma de un fluido secundario configurado para absorber una parte de la energía calorífica del fluido primario.
Dicho recuperador de calor se caracteriza por que comprende:
- una primera etapa de intercambio de calor entre el fluido primario y el fluido secundario; y
- una segunda etapa de intercambio de calor entre el fluido primario y el fluido secundario.
Esta doble etapa de intercambio de calor permite precalentar el aire por encima de los límites actuales en este tipo de recuperadores, con valores cercanos a los 850 °C.
Preferentemente, para favorecer aún más el intercambio de calor entre el fluido primario y el fluido secundario, el recuperador de calor de la presente invención presenta un diseño y/o configuración mediante el cual el fluido secundario puede presentar sentidos de circulación iguales o distintos, respecto a una u otra etapa de intercambio de calor. Con ello se consigue que el fluido primario y el fluido secundario puedan circular en paralelo (mismo sentido) o a contracorriente (sentido inverso) según la etapa de intercambio en la que se encuentren.
Así pues, de acuerdo a un primer ejemplo de sentidos de circulación entre fluidos, el recuperador de calor se encuentra configurado para:
- permitir la circulación del fluido secundario en la primera etapa de intercambio de calor según un primer sentido de recuperación opuesto al sentido de escape del fluido primario, es decir, a contracorriente; y
- permitir la circulación del fluido secundario en la segunda etapa de intercambio de calor según un segundo sentido de recuperación coincidente con el sentido de escape del fluido primario, es decir, en paralelo.
De acuerdo a un segundo ejemplo de sentidos de circulación entre fluidos, el recuperador de calor se encuentra configurado para:
- permitir la circulación del fluido secundario en la primera etapa de intercambio de calor según un primer sentido de recuperación coincidente con el sentido de escape del fluido primario, es decir, en paralelo; y
- permitir la circulación del fluido secundario en la segunda etapa de intercambio de calor según un segundo sentido de recuperación coincidente con el sentido de escape del fluido primario, es decir, es decir, también en paralelo.
Preferentemente, la camisa interior y la camisa exterior presentan una configuración cilíndrica. La camisa interior y la camisa exterior se disponen de forma concéntrica dejando entre ellas una separación a modo de corona circular que determina la zona de paso que permite la circulación del fluido primario. A modo de ejemplo; el espacio entre camisas puede adoptar valores cercarnos a los 15-30 mm para camisas con diámetros interiores cercanos a los 1.2 - 1.8 m. A modo de ejemplo, el recuperador de calor puede contar con una longitud total de 4.5 a 9 metros, y preferentemente de 7.5 metros aprox.
Preferentemente, la camisa interior y/o la camisa exterior comprenden una distribución de materiales que varía a lo largo de la misma según el perfil longitudinal de temperatura previsto para el recuperador.
Ello optimiza la fiabilidad, rendimiento y costes del recuperador de calor, que aprovecha al máximo las prestaciones y propiedades de los materiales en función del tramo o zona del recuperador (zona de alta temperatura, zona de baja temperatura, zonas intermedias...), dado que dichos materiales se seleccionan en función del perfil longitudinal de temperaturas previsto para cada aplicación.
Preferentemente, los materiales de la camisa interior y/o de la camisa exterior se seleccionan entre al menos:
- aleaciones en solución sólida de Ni-Cr-Co-Mo; y
- aceros inoxidables austeníticos Cr-Ni
La distribución de estos materiales en la camisa interior y/o la camisa exterior puede ser total, o parcial, pudiendo comprender otros materiales.
Las aleaciones en solución sólida de Ni-Cr-Co-Mo pueden ser de la familia de los INCONEL® y/o HAYNES®.
De acuerdo a un primer ejemplo de distribución longitudinal de materiales, la camisa interior comprende dos a aleaciones en solución sólida de Ni-Cr-Co-Mo distintas.
De acuerdo a un segundo ejemplo de distribución longitudinal de materiales, la camisa interior comprende una distribución de materiales a lo largo de la misma en la que se combina al menos una aleación en solución sólida de Ni-Cr-Co-Mo y un acero inoxidable austenítico Cr-Ni.
Preferentemente, las aleaciones en solución sólida de Ni-Cr-Co-Mo se disponen en las zonas o tramos más próximos a la entrada del fluido primario, donde la camisa interior presenta una mayor temperatura. A su vez, los aceros inoxidables austeníticos Cr-Ni se disponen longitudinalmente a lo largo de la camisa a continuación de las aleaciones en solución sólida de Ni-Cr-Co-Mo. Finalmente, los tramos o zonas más alejadas de la entrada del fluido primario, donde la temperatura es menor, pueden presentar otros tipos de aceros con unas prestaciones más apropiadas para dichas zonas de menor exigencia.
Preferentemente, la camisa interior comprende:
- una primera camisa interior para la primera etapa de intercambio de calor; y - una segunda camisa interior para la segunda etapa de intercambio de calor.
Preferentemente, la camisa exterior comprende:
- una primera camisa exterior, concéntrica a la primera camisa interior, para la primera etapa de intercambio de calor; y
- una segunda camisa exterior, concéntrica a la segunda camisa interior, para la segunda etapa de intercambio de calor.
Cada etapa de calor cuenta pues con su correspondiente camisa interior y/o exterior. Ello permite optimizar aún más la distribución longitudinal de materiales del recuperador de calor, seleccionando dichos materiales para cada camisa interior y/o exterior, teniendo también en cuenta también la etapa de intercambio de calor (alta o baja temperatura) en la que tengan que trabajar.
Preferentemente, la zona de paso comprende:
- una primera zona de paso definida entre la primera camisa interior y la primera camisa exterior para la circulación a través de la misma del fluido secundario en la primera etapa de intercambio de calor, que presenta una primera entrada y una primera salida para dicho fluido secundario; y
- una segunda zona de paso definida entre la segunda camisa interior y la segunda camisa exterior para la circulación a través de la misma del fluido secundario en la segunda etapa de intercambio de calor, que presenta una segunda entrada y una segunda salida para dicho fluido secundario;
donde ambas zonas de paso se encuentran comunicadas mediante una conducción que conecta la primera salida con la segunda entrada.
Cada etapa de calor cuenta pues con su correspondiente zona de paso, estando finalmente comunicadas mediante una conducción que permite la circulación del fluido secundario de la primera etapa a la segunda etapa. Ello permite establecer para cada etapa de intercambio de calor el sentido de circulación deseado para el primer fluido. Pudiendo ser dicho sentido igual en ambas etapas o diferente en cada una.
La distribución y posición de las entradas y salidas en el recuperador, así como su adecuada conexión entre etapas, contribuye también a establecer los sentidos de circulación del fluido secundario.
De acuerdo a un primer ejemplo de sentidos de circulación entre fluidos:
- la primera entrada se encuentra dispuesta en la parte superior de la primera camisa exterior, próxima a la salida del fluido primario, estando pues en la zona de menor temperatura;
- la primera salida se encuentra dispuesta en la parte inferior de la primera camisa exterior;
- la segunda entrada se encuentra dispuesta en la parte inferior de la segunda camisa exterior, próxima a la entrada del fluido primario, estando pues en la zona de mayor temperatura; y
- la segunda salida se encuentra dispuesta en la parte superior de la segunda camisa exterior.
De acuerdo a un segundo ejemplo de sentidos de circulación entre fluidos:
- la primera entrada se encuentra dispuesta en la parte inferior de la primera camisa exterior;
- la primera salida se encuentra dispuesta en la parte superior de la primera camisa exterior, próxima a la salida del fluido primario, estando pues en la zona de menor temperatura;
- la segunda entrada se encuentra dispuesta en la parte inferior de la segunda camisa exterior, próxima a la entrada del fluido primario, estando pues en la zona de mayor temperatura; y
- la segunda salida se encuentra dispuesta en la parte superior de la segunda camisa exterior.
Preferentemente, el recuperador de calor comprende una zona de unión configurada para unir un primer conjunto formado por la primera camisa interior y la segunda camisa exterior, con un segundo conjunto formado por la segunda camisa interior y segunda camisa exterior. El primer conjunto corresponde a la primera etapa de intercambio de calor, mientras que el segundo conjunto corresponde a la segunda etapa de intercambio de calor. A modo de ejemplo, el primer conjunto puede tener una longitud total de 1 a 3 metros, y preferentemente de 2 metros aprox., mientras que el segundo conjunto puede tener una longitud total de 3.5 a 6 metros, y preferentemente de 5 metros aprox.
Preferentemente, la zona de unión comprende:
- medios de compensación configurados para absorber las dilataciones debidas a los cambios de temperatura permitiendo un movimiento deslizante de los materiales dilatados; y
- medios de protección configurados para proteger los medios de compensación aislándolos del fluido primario.
Preferentemente, los medios de compensación están hechos con fibra cerámica; mientras que los medios de protección están hechos de material refractario.
Para incrementar aún más la eficiencia de intercambio de calor, el recuperador de calor puede comprender elementos auxiliares (álabes, aletas, etc.) dispuestos en la zona de paso, los cuales permitan redireccionar y/o redirigir el fluido secundario en su recorrido a través de dicha zona de paso, además de ofrecer una mayor superficie de intercambio de calor para absorber una mayor energía calorífica del fluido primario. Estos elementos auxiliares pueden disponerse independientemente en la cara interna de la camisa exterior y/o la cara externa de la camisa interior, en una u otra etapa de intercambio de calor.
Para ello, preferentemente el recuperador de calor comprende una pluralidad de álabes o aletas curvadas dispuestos en la zona de paso configurados para generar un flujo helicoidal del fluido secundario durante su circulación a través de dicha zona de paso.
La configuración independiente de la camisa interior y/o exterior para cada etapa de intercambio de calor, contando con su correspondiente zona de paso, permite optimizar aún más la distribución y disposición de dichos álabes incrementando el rendimiento y/o eficiencia en el intercambio de calor entre fluidos. Pues dicha circulación se puede particularizar según las necesidades de cada etapa de intercambio de calor.
Preferentemente, en la primera etapa de intercambio de calor los álabes se encuentran dispuestos en una cara interna de la camisa exterior; mientras que en la segunda etapa de intercambio de calor los álabes se encuentran dispuestos en una cara externa de la camisa interior.
De este modo, los álabes están en contacto (por su cara externa) con la camisa interior la segunda etapa de intercambio de calor, favoreciendo la conducción de calor desde la cara interna de la camisa interior hacia dichos álabes, en una etapa donde la temperatura es mayor.
Preferentemente, la primera etapa de intercambio de calor es la etapa de intercambio a baja temperatura; mientras que la segunda etapa de intercambio de calor es la etapa de intercambio a alta temperatura.
La etapa de baja y alta temperatura queda definida por los rangos de temperatura que alcanza el fluido secundario al pasar por una y otra etapa. Así pues, se interpreta como etapa de baja temperatura aquélla en la que el fluido secundario entra en el recuperador de calor y realiza un primer recorrido de intercambio de calor hasta alcanzar una determinada temperatura. A su vez, se interpreta como etapa de alta temperatura aquélla en la que el fluido secundario sale del recuperador de calor, después de realizar un segundo recorrido de intercambio de calor, alcanzado su temperatura máxima.
Para favorecer su instalación en chimeneas verticales de salida de humos, u en otros canales de escape de gases de combustión, preferentemente el recuperador de calor presenta una disposición vertical, situándose la primera etapa de intercambio en la parte superior del mismo, donde se ubica la salida del fluido primario, y situándose la segunda etapa de intercambio en la parte inferior del mismo, donde se ubica la entrada del fluido primario.
De acuerdo a un primer ejemplo de sentidos de circulación entre fluidos, particularizado a dichas aplicaciones verticales, el sentido de escape del fluido primario es ascendente; mientras que:
- el primer sentido de recuperación del fluido secundario en la primera etapa de intercambio de calor es descendente, es decir, a contracorriente u opuesto (inverso) al sentido de escape del fluido primario; y
- el segundo sentido de recuperación del fluido secundario en la segunda etapa de intercambio de calor es ascendente, es decir, paralelo o coincidente con el sentido de escape del fluido primario.
De acuerdo a un segundo ejemplo de sentidos de circulación entre fluidos, particularizado a dichas aplicaciones verticales, el sentido de escape del fluido primario es ascendente; mientras que:
- el primer sentido de recuperación del fluido secundario en la primera etapa de intercambio de calor es ascendente, es decir, paralelo o coincidente con el sentido de escape del fluido primario; y
- el segundo sentido de recuperación del fluido secundario en la segunda etapa de intercambio de calor es ascendente, es decir, también paralelo o coincidente con el sentido de escape del fluido primario.
La presente invención se refiere también a un método de recuperación de calor para recuperadores de calor. Dicho método comprende:
- una primera etapa de intercambio de calor entre un fluido primario y un fluido secundario; y
- una segunda etapa de intercambio de calor entre el fluido primario y el fluido secundario.
Preferentemente:
- en la primera etapa de intercambio de calor el fluido secundario circula según un primer sentido de recuperación a contracorriente u opuesto al sentido de escape del fluido primario; y
- en la segunda etapa de intercambio de calor el fluido secundario circula según un segundo sentido de recuperación coincidente o paralelo con el sentido de escape del fluido primario.
Preferentemente, el recuperador de calor se encuentra dispuesto verticalmente sobre una chimenea u otro canal de escape de gases de combustión, siendo el sentido de escape del fluido primario ascendente; mientras que:
- el primer sentido de recuperación del fluido secundario en la primera etapa de intercambio de calor es descendente; y
- el segundo sentido de recuperación del fluido secundario en la segunda etapa de intercambio de calor es ascendente.
Preferentemente:
- en la primera etapa de intercambio de calor el fluido secundario circula según un primer sentido de recuperación coincidente o paralelo con el sentido de escape del fluido primario;
- en la segunda etapa de intercambio de calor el fluido secundario circula según un segundo sentido de recuperación coincidente o paralelo con el sentido de escape del fluido primario.
Preferentemente, el recuperador de calor se encuentra dispuesto verticalmente sobre una chimenea u otro canal de escape de gases de combustión, siendo el sentido de escape del fluido primario ascendente; mientras que:
- el primer sentido de recuperación del fluido secundario en la primera etapa de intercambio de calor es ascendente; y
- el segundo sentido de recuperación del fluido secundario en la segunda etapa de intercambio de calor es ascendente.
Preferentemente, el método de recuperación de calor de la presente invención se lleva a cabo en un recuperador de calor de radiación de doble camisa.
Preferentemente, el fluido primario son gases de combustión; mientras que el fluido secundario es aire.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como ejemplo no limitativo de la misma.
La Figura 1 representa una vista general en perspectiva del recuperador de calor de la presente invención, presentando un sentido de circulación del fluido secundario según un primer ejemplo.
La Figura 2 representa una vista frontal del recuperador de calor de la figura 1.
La Figura 3 representa una vista superior del recuperador de calor de la figura 1.
La Figura 4 representa una sección transversal según la línea de corte C-C de la figura 2.
La Figura 5 representa una vista frontal del primer conjunto correspondiente a la primera etapa de intercambio de calor del recuperador de calor de la figura 1.
La Figura 6 representa una sección longitudinal del primer conjunto de la figura 5.
La Figura 7 representa una vista del detalle X de la figura 6.
La Figura 8 representa una vista frontal del segundo conjunto correspondiente a la segunda etapa de intercambio de calor del recuperador de calor de la figura 1.
La Figura 9 representa una sección longitudinal del segundo conjunto de la figura 8.
La Figura 10 representa el detalle Y de la figura 9.
La Figura 11 representa una sección longitudinal de la zona de unión entre el primer conjunto y el segundo conjunto del recuperador de calor de la figura 1.
La Figura 12 representa una vista parcialmente seccionada del segundo conjunto de la figura 8, sin ilustrar el material aislante.
La Figura 13a representa una vista frontal de un grupo de álabes.
La Figura 13b representa una vista superior de un grupo de álabes.
La Figura 14 representa una vista general en perspectiva del recuperador de calor de la presente invención, presentando un sentido de circulación del fluido secundario según un segundo ejemplo.
La Figura 15 representa un diagrama esquemático a modo de ejemplo de los rangos de temperatura de un recuperador de calor con una sola etapa de intercambio de calor según el estado del arte.
La Figura 16 representa un diagrama esquemático a modo de ejemplo de los rangos de temperatura de un recuperador de calor con dos etapas de intercambio de calor según la presente invención.
Descripción detallada de la invención
Las Figuras 1 y 2 representan respectivamente una vista general en perspectiva y una vista frontal del recuperador de calor (1) de la presente invención, en este caso, un recuperador de calor (1) de radiación de doble camisa de configuración cilíndrica.
Como se puede apreciar, dicho recuperador de calor (1) comprende una entrada (E) y una salida (S) para circulación a través del mismo de un fluido primario (G) que presenta una energía calorífica (Qg ) y un sentido de circulación y/o de escape (Dg). Cuya energía calorífica (Qg), o parte de ella, es absorbida por un fluido secundario (A).
El recuperador de calor (1) comprende:
- una primera etapa de intercambio de calor (T1) entre el fluido primario (G) y el fluido secundario (A); y
- una segunda etapa de intercambio de calor (T2) entre el fluido primario (G) y el fluido secundario (A).
Para favorecer su instalación en chimeneas verticales de salida de humos, u en otros canales de escape de gases de combustión, el recuperador de calor (1) presenta una disposición vertical, situándose la primera etapa de intercambio (T1) en la parte superior del mismo, donde se ubica la salida (S) del fluido primario (G), y situándose la segunda etapa de intercambio (T2) en la parte inferior del mismo, donde se ubica la entrada (E) del fluido primario (G).
La primera etapa de intercambio de calor (T1) comprende una primera entrada (41e) y una primera salida (41s) para el fluido secundario (A). La primera entrada (41e) se encuentra dispuesta en la parte superior, próxima a la salida (S) del fluido primario (G), estando pues en la zona de menor temperatura.
La segunda etapa de intercambio de calor (T2) comprende una segunda entrada (42e) y una segunda salida (42s) para dicho fluido secundario (A). La segunda entrada (42e) se encuentra dispuesta en la parte inferior, próxima a la entrada (E) del fluido primario (G), estando pues en la zona de mayor temperatura.
Una conducción (5) conecta la primera salida (41s) con la segunda entrada (42e), para permitir el paso del fluido secundario (A) a la segunda etapa de intercambio de calor (T2), una vez atraviesa la primera etapa de intercambio de calor (T1).
De acuerdo al presente ejemplo, el recuperador de calor (1) se encuentra configurado para:
- permitir la circulación del fluido secundario (A) en la primera etapa de intercambio de calor (T1) según un primer sentido de recuperación (Dm), ver Figura 7, opuesto al sentido de escape (Dg) del fluido primario (G), es decir, a contracorriente; y
- permitir la circulación del fluido secundario (A) en la segunda etapa de intercambio de calor (T2) según un segundo sentido de recuperación (D2a), ver Figura 10, coincidente con el sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G), es decir, en paralelo.
Particularizado para a la disposición vertical que adopta el recuperador de calor (1) en el presente ejemplo, se puede apreciar que el sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G) es ascendente; mientras que:
- el primer sentido de recuperación (Dm), ver Figura 7, del fluido secundario (A) en la primera etapa de intercambio de calor (T1) es descendente; y
- el segundo sentido de recuperación (D2a) del fluido secundario (G) en la segunda etapa de intercambio de calor (T2) es ascendente.
Las Figuras 3 y 4 representa respectivamente una vista superior y una sección transversal del recuperador de calor (1) de la presente invención.
Como se puede apreciar, el recuperador de calor (1) comprende:
- una camisa interior (2, 21, 22) configurada para la circulación por el interior y largo de la misma del fluido primario (G);
- una camisa exterior (3, 31, 32) dispuesta concéntricamente a la camisa interior (2, 21, 22); y
- una zona de paso (4, 41, 42) definida entre la camisa interior (2, 21, 22) y la camisa exterior (3, 31, 32) para la circulación a través de la misma del fluido secundario (A), a fin de absorber una parte de la energía calorífica (Qg ) del fluido primario (G).
La camisa interior (2, 21,22) y la camisa exterior (3, 31, 32) presentan una configuración cilíndrica, disponiéndose de forma concéntrica para dejar entre ellas una separación o zona de paso (4, 41, 42) a modo de corona circular para la circulación del fluido secundario (A).
Las Figuras 5 y 6 representan respectivamente una vista frontal y una sección longitudinal del primer conjunto (CT1) correspondiente a la primera etapa de intercambio de calor (T1) del recuperador de calor (1) de la presente invención.
Como se puede apreciar, la camisa interior (2) comprende una primera camisa interior (21) para la primera etapa de intercambio de calor (T1), mientras que la camisa exterior (3) comprende una primera camisa exterior (31), concéntrica a la primera camisa interior (21), para dicha primera etapa de intercambio de calor (T1). La primera camisa exterior (31) queda recubierta por un aislamiento térmico (8).
La Figura 7 muestra con mayor claridad la separación perimetral existente entre la primera camisa interior (21) y la primera camisa exterior (31). En concreto, una primera zona de paso (41) se define entre la primera camisa interior (21) y la primera camisa exterior (31) para la circulación a través de la misma del fluido secundario (A) según un primer sentido de recuperación (Dm), de acuerdo al presente ejemplo.
Como se aprecia también en la Figura 7, el recuperador de calor (1) comprende una pluralidad de álabes (7, 71) dispuestos en la zona de paso (4, 41) configurados para generar un flujo helicoidal del fluido secundario (A) durante su circulación a través de dicha zona de paso (4, 41). De acuerdo al presente ejemplo, en la primera etapa de intercambio de calor (T1) los álabes (7, 71) se encuentran dispuestos en la cara interna de la camisa exterior (3, 31).
Las Figuras 8 y 9 representan respectivamente una vista frontal y una sección longitudinal del segundo conjunto (CT2) correspondiente a la segunda etapa de intercambio de calor (T2) del recuperador de calor (1) de la presente invención.
Como se puede apreciar, la camisa interior (2) comprende una segunda camisa interior (22) para la segunda etapa de intercambio de calor (T2), mientras que la camisa exterior (3) comprende una segunda camisa exterior (32), concéntrica a la segunda camisa interior (22), para dicha segunda etapa de intercambio de calor (T2). La segunda camisa exterior (32) queda recubierta por un aislamiento térmico (8).
La Figura 10 muestra con mayor claridad la separación perimetral existente entre la segunda camisa interior (22) y la segunda camisa exterior (32). En concreto, una segunda zona de paso (42) se define entre la segunda camisa interior (22) y la segunda camisa exterior (32) para la circulación a través de la misma del fluido secundario (A) según un sentido de recuperación (D2a), de acuerdo al presente ejemplo.
Como se aprecia también en la Figura 10, el recuperador de calor (1) comprende una pluralidad de álabes (7, 72) dispuestos en la zona de paso (4, 42) configurados para generar un flujo helicoidal del fluido secundario (A) durante su circulación a través de dicha zona de paso (4, 42). De acuerdo al presente ejemplo, en la segunda etapa de intercambio de calor (T2) los álabes (7, 72) se encuentran dispuestos en la cara externa de la camisa interior (2, 22).
Como se aprecia en la Figura 11, el recuperador de calor (1) comprende una zona de unión (6) configurada para unir un primer conjunto (CT1) formado por la primera camisa interior (21) y la segunda camisa exterior (31), con un segundo conjunto (CT2) formado por la segunda camisa interior (22) y la segunda camisa exterior (32). El primer conjunto (CT1) corresponde a la primera etapa de intercambio de calor (T1), mientras que el segundo conjunto (CT2) corresponde a la segunda etapa de intercambio de calor (T2).
La zona de unión (6) comprende:
- medios de compensación (61) configurados para absorber las dilataciones debidas a los cambios de temperatura permitiendo un movimiento deslizante (Md) de los materiales dilatados; y
- medios de protección (62) configurados para proteger los medios de compensación (61) aislándolos térmicamente del fluido primario (G).
Las Figuras 12, 13a y 13b, muestran con mayor detalle un ejemplo de la configuración y disposición de los álabes (7, 72) en el recuperador de calor (1). Aunque dicho ejemplo se muestra sobre el segundo conjunto (CT2), resulta también aplicable al primer conjunto (CT1).
La Figura 14 representa una vista general en perspectiva de un recuperador de calor (1) como el de las figuras anteriores, pero con un sentido de circulación del fluido secundario distinto.
De acuerdo al presente ejemplo, el recuperador de calor (1) se encuentra configurado para:
- permitir la circulación del fluido secundario (A) en la primera etapa de intercambio de calor (T1) según un primer sentido de recuperación (Dm) coincidente con el sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G), es decir, en paralelo; y
- permitir la circulación del fluido secundario (A) en la segunda etapa de intercambio de calor (T2) según un segundo sentido de recuperación (D2a ) coincidente con el sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G), es decir, es decir, también en paralelo.
Particularizado para la disposición vertical que adopta el recuperador de calor (1) en el presente ejemplo, se puede apreciar que el sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G) es ascendente; mientras que:
- el primer sentido de recuperación (Dm) del fluido secundario (A) en la primera etapa de intercambio de calor (T1) es ascendente; y
- el segundo sentido de recuperación (D2a) del fluido secundario (G) en la segunda etapa de intercambio de calor (T2) es también ascendente.
Para ello, la primera etapa de intercambio de calor (T1) comprende una primera entrada (41e) y una primera salida (41s) para el fluido secundario (A). La primera salida (41s) se encuentra dispuesta en la parte superior, próxima a la salida (S) del fluido primario (G), estando pues en la zona de menor temperatura.
La segunda etapa de intercambio de calor (T2) comprende una segunda entrada (42e) y una segunda salida (42s) para dicho fluido secundario (A). La segunda entrada (42e) se encuentra dispuesta en la parte inferior, próxima a la entrada (E) del fluido primario (G), estando pues en la zona de mayor temperatura.
Una conducción (5) conecta la primera salida (41s) con la segunda entrada (42e), para permitir el paso del fluido secundario (A) a la segunda etapa de intercambio de calor (T2), una vez atraviesa la primera etapa de intercambio de calor (T1).
La Figura 15 representa un diagrama esquemático a modo de ejemplo de los rangos de temperatura de un recuperador de calor con una sola etapa de intercambio de calor según el estado del arte.
Dada su disposición vertical, el fluido primario (G) circula en sentido ascendente, mientras que el fluido secundario circula en sentido descendente. Es decir, el fluido primario (G) y el fluido secundario (A) presentan sentidos de circulación opuestos/inversos, circulando pues a contracorriente un fluido respecto al otro.
Como se puede apreciar, el fluido primario (G) entra a una temperatura de 1.200 °C de temperatura y sale a una temperatura de 780 °C, una vez se produce su intercambio de calor con el fluido secundario (A). Por su parte, el fluido secundario entra a 20°C y sale a 725 °C, una vez absorbida parte de la energía calorífica (Qg ) del fluido primario (G).
La Figura 16 representa un diagrama esquemático a modo de ejemplo de los rangos de temperatura de un recuperador de calor (1) con dos etapas de intercambio de calor (T1, T2) según la presente invención.
Dada su disposición vertical, se puede apreciar que el sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G) es ascendente; mientras que:
- el primer sentido de recuperación (Dm) del fluido secundario (A) en la primera etapa de intercambio de calor (T1) es descendente; y
- el segundo sentido de recuperación (D2a) del fluido secundario (G) en la segunda etapa de intercambio de calor (T2) es ascendente.
Es decir:
- el fluido secundario (A) en la primera etapa de intercambio de calor (T1) circula según un primer sentido de recuperación (D í a) opuesto al sentido de escape (Dg) del fluido primario (G), es decir, a contracorriente; y
- el fluido secundario (A) en la segunda etapa de intercambio de calor (T2) circula según un segundo sentido de recuperación (D2a ) coincidente con el sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G), es decir, en paralelo.
Como se puede apreciar, el fluido primario (G) entra a una temperatura de 1.200 °C de temperatura y sale a una temperatura de 740 °C, una vez se produce su intercambio de calor con el fluido secundario (A) en las dos etapas de intercambio de calor (T1, T2). En concreto, el fluido secundario entra a 20°C y sale a 250 °C una vez absorbida parte de la energía calorífica (Qg ) del fluido primario (G) a su paso por la primera etapa de calor (T1). Asimismo, el fluido secundario entra a 250°C y sale a 775 °C una vez absorbida parte de la energía calorífica (Qg ) del fluido primario (G) a su paso por la segunda etapa de calor (T2).
Es decir, el recuperador de calor (1) de la presente invención permite absorber una mayor parte de la energía calorífica (Qg ) del fluido primario (G), alcanzando de este modo el fluido secundario (A) una mayor temperatura a su paso por el intercambiador de calor, en comparación con los recuperadores actualmente conocidos.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1- Recuperador de calor, que comprende:
    - una camisa interior (2, 21, 22) configurada para la circulación por el interior y largo de la misma de un fluido primario (G) con una energía calorífica (Qg ) según un sentido de escape (Dg ) entre una entrada (E) y una salida (S);
    - una camisa exterior (3, 31, 32) dispuesta concéntricamente a la camisa interior (2, 21,22); y
    - una zona de paso (4, 41, 42) definida entre la camisa interior (2, 21, 22) y la camisa exterior (3, 31, 32) para la circulación a través de la misma de un fluido secundario (A) configurado para absorber una parte de la energía calorífica (Qg) del fluido primario (G);
    dicho recuperador de calor (1) caracterizado por que comprende:
    - una primera etapa de intercambio de calor (T1) entre el fluido primario (G) y el fluido secundario (A); y
    - una segunda etapa de intercambio de calor (T2) entre el fluido primario (G) y el fluido secundario (A).
    2- Recuperador de calor según la reivindicación 1, caracterizado por que se encuentra configurado para permitir la circulación del fluido secundario (A) en la primera etapa de intercambio de calor (T1) según un primer sentido de recuperación (Dm) opuesto al sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G); y por que se encuentra configurado para permitir la circulación del fluido secundario (A) en la segunda etapa de intercambio de calor (T2) según un segundo sentido de recuperación (D2a ) coincidente con el sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G).
    3- Recuperador de calor según la reivindicación 1, caracterizado por que se encuentra configurado para permitir la circulación del fluido secundario (A) en la primera etapa de intercambio de calor (T1) según un primer sentido de recuperación (Dm) coincidente con el sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G); y por que se encuentra configurado para permitir la circulación del fluido secundario (A) en la segunda etapa de intercambio de calor (T2) según un segundo sentido de recuperación (D2a ) coincidente con el sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G).
    4- Recuperador de calor cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la camisa interior (2, 21, 22) y la camisa exterior (3, 31, 32) presentan una configuración cilíndrica.
    5- Recuperador de calor cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la camisa interior (2, 21, 22) y/o la camisa exterior (3, 31, 32) comprenden una distribución de materiales que varía a lo largo de la misma según el perfil longitudinal de temperatura previsto para el recuperador (1).
    6- Recuperador de calor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que los materiales de la camisa interior (2, 21, 22) y/o de la camisa exterior (3, 31, 32) se seleccionan entre al menos:
    - aleaciones en solución sólida de Ni-Cr-Co-Mo; y
    - aceros inoxidables austeníticos Cr-Ni
    7- Recuperador de calor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que la camisa interior (2, 21, 22) comprende una distribución de materiales a lo largo de la misma en la que se combina al menos:
    - una aleación en solución sólida de Ni-Cr-Co-Mo; y
    - un acero inoxidable austenítico Cr-Ni
    8- Recuperador de calor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que la camisa interior (2) comprende:
    - una primera camisa interior (21) para la primera etapa de intercambio de calor (T1); y
    - una segunda camisa interior (22) para la segunda etapa de intercambio de calor (T2); y por que la camisa exterior (3) comprende:
    - una primera camisa exterior (31), concéntrica a la primera camisa interior (21), para la primera etapa de intercambio de calor (T1); y
    - una segunda camisa exterior (32), concéntrica a la segunda camisa interior (22), para la segunda etapa de intercambio de calor (T2);
    9- Recuperador de calor según la reivindicación 8 caracterizado por que la zona de paso (4) comprende:
    - una primera zona de paso (41) definida entre la primera camisa interior (21) y la primera camisa exterior (31) para la circulación a través de la misma del fluido secundario (A) en la primera etapa de intercambio de calor (T1), que presenta una primera entrada (41e) y una primera salida (41s) para dicho fluido secundario (A); y - una segunda zona de paso (42) definida entre la segunda camisa interior (22) y la segunda camisa exterior (32) para la circulación a través de la misma del fluido secundario (A) en la segunda etapa de intercambio de calor (T2), que presenta una segunda entrada (42e) y una segunda salida (42s) para dicho fluido secundario (A); donde ambas zonas de paso (41, 42) se encuentran comunicadas mediante una conducción (5) que conecta la primera salida (41s) con la segunda entrada (42e).
    10- Recuperador de calor según la reivindicación 9 caracterizado por que:
    - la primera entrada (41e) se encuentra dispuesta en la parte superior de la primera camisa exterior (31), próxima a la salida (S) del fluido primario (G);
    - la primera salida (41s) se encuentra dispuesta en la parte inferior de la primera camisa exterior (31);
    - la segunda entrada (42e) se encuentra dispuesta en la parte inferior de la segunda camisa exterior (32), próxima a la entrada (E) del fluido primario (G); y
    - la segunda salida (41s) se encuentra dispuesta en la parte superior de la segunda camisa exterior (32).
    11- Recuperador de calor según la reivindicación 9 caracterizado por que:
    - la primera entrada (41e) se encuentra dispuesta en la parte inferior de la primera camisa exterior (31);
    - la primera salida (41s) se encuentra dispuesta en la parte superior de la primera camisa exterior (31), próxima a la salida (S) del fluido primario (G);
    - la segunda entrada (42e) se encuentra dispuesta en la parte inferior de la segunda camisa exterior (32), próxima a la entrada (E) del fluido primario (G); y
    - la segunda salida (41s) se encuentra dispuesta en la parte superior de la segunda camisa exterior (32).
    12- Recuperador de calor según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizado por que comprende una zona de unión (6) configurada para unir un primer conjunto (CT1) formado por la primera camisa interior (21) y la segunda camisa exterior (31), con un segundo conjunto (CT2) formado por la segunda camisa interior (22) y segunda camisa exterior (32).
    13- Recuperador de calor según la reivindicación 12, caracterizado por que la zona de unión (6) comprende:
    - medios de compensación (61) configurados para absorber las dilataciones debidas a los cambios de temperatura permitiendo un movimiento deslizante (Md) de los materiales dilatados; y
    - medios de protección (62) configurados para proteger los medios de compensación (61) aislándolos del fluido primario (G).
    14- Recuperador de calor según la reivindicación 13, caracterizado por que los medios de compensación (61) están hechos con fibra cerámica; y por que los medios de protección (62) están hechos de material refractario.
    15- Recuperador de calor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que comprende una pluralidad de álabes (7, 71, 72) dispuestos en la zona de paso (4, 41, 42) configurados para generar un flujo helicoidal del fluido secundario (A) durante su circulación a través de dicha zona de paso (4, 41, 42).
    16- Recuperador de calor según la reivindicación 15, caracterizado por que en la primera etapa de intercambio de calor (T1) los álabes (7, 71) se encuentran dispuestos en una cara interna de la camisa exterior (3, 31); y por que en la segunda etapa de intercambio de calor (T2) los álabes (7, 72) se encuentran dispuestos en una cara externa de la camisa interior (2, 22).
    17- Recuperador de calor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado por que la primera etapa de intercambio de calor (T1) es la etapa de intercambio a baja temperatura; y por que la segunda etapa de intercambio de calor (T2) es la etapa de intercambio a alta temperatura.
    18- Recuperador de calor cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado por que presenta una disposición vertical, situándose la primera etapa de intercambio (T1) en la parte superior del mismo, donde se ubica la salida (S) del fluido primario (G), y situándose la segunda etapa de intercambio (T2) en la parte inferior del mismo, donde se ubica la entrada (E) del fluido primario (G).
    19- Recuperador de calor cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizada por que el sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G) es ascendente; y porque:
    - el primer sentido de recuperación (Dm) del fluido secundario (A) en la primera etapa de intercambio de calor (T1) es descendente; y
    - el segundo sentido de recuperación (D2a) del fluido secundario (G) en la segunda etapa de intercambio de calor (T2) es ascendente.
    20- Recuperador de calor cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizada por que el sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G) es ascendente; y porque:
    - el primer sentido de recuperación (Dm) del fluido secundario (A) en la primera etapa de intercambio de calor (T1) es ascendente; y
    - el segundo sentido de recuperación (D2a) del fluido secundario (G) en la segunda etapa de intercambio de calor (T2) es ascendente.
    21- Método de recuperación de calor para recuperadores de calor, caracterizado por que comprende:
    - una primera etapa de intercambio de calor (T1) entre un fluido primario (G) y un fluido secundario (A); y
    - una segunda etapa de intercambio de calor (T2) entre el fluido primario (G) y el fluido secundario (A).
    22- Método según la reivindicación 21, caracterizado por que:
    - en la primera etapa de intercambio de calor (T1) el fluido secundario (A) circula según un primer sentido de recuperación (Dm) opuesto al sentido de escape (Dg) del fluido primario (G);
    y por que:
    - en la segunda etapa de intercambio de calor (T2) el fluido secundario (A) circula según un segundo sentido de recuperación (D2a ) coincidente con el sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G).
    23- Método según la reivindicación 22, caracterizado por que el recuperador de calor (1) se encuentra dispuesto verticalmente sobre una chimenea u otro canal de escape de gases de combustión, siendo el sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G) ascendente; y por que:
    - el primer sentido de recuperación (D í a) del fluido secundario (A) en la primera etapa de intercambio de calor (T1) es descendente; y
    - el segundo sentido de recuperación (D2a) del fluido secundario (G) en la segunda etapa de intercambio de calor (T2) es ascendente.
    24- Método según la reivindicación 21, caracterizado por que:
    - en la primera etapa de intercambio de calor (T1) el fluido secundario (A) circula según un primer sentido de recuperación (D ía) coincidente con el sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G);
    y por que:
    - en la segunda etapa de intercambio de calor (T2) el fluido secundario (A) circula según un segundo sentido de recuperación (D2a ) coincidente con el sentido de escape (Dg ) del fluido primario (G).
    25- Método según la reivindicación 24, caracterizado por que el recuperador de calor (1) se encuentra dispuesto verticalmente sobre una chimenea u otro canal de escape de gases de combustión, siendo el sentido de escape (D G ) del fluido primario (G) ascendente; y por que:
    - el primer sentido de recuperación (D í a) del fluido secundario (A) en la primera etapa de intercambio de calor (T1) es ascendente; y
    - el segundo sentido de recuperación (D2a) del fluido secundario (G) en la segunda etapa de intercambio de calor (T2) es ascendente.
    26- Método según cualquiera de las reivindicaciones 21 a 25, caracterizado por que se lleva a cabo en un recuperador de calor (1) de radiación de doble camisa.
    27- Método según cualquiera de las reivindicaciones 21 a 26, caracterizado por que el fluido primario (G) son gases de combustión; y por que el fluido secundario (A) es aire.
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