ES2951315T3 - Sistema y procedimiento de limpieza por ondas de choque para intercambiador térmico de una caldera - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract
La invención se refiere principalmente a un sistema de limpieza (1), diseñado para generar ondas de choque a partir de un gas a presión y dirigirlas contra la superficie del intercambiador, cuyo sistema (1) comprende al menos un dispositivo de limpieza (10) que comprende un primera cámara (2) destinada a estar conectada de forma fluida a un depósito de gas a presión (3) para suministrar a dicha primera cámara (2) gas a alta presión, comprendiendo una segunda cámara (4) de baja presión un orificio de descarga (5)) para la onda de choque (6), y un dispositivo de disparo (7) que puede operarse de manera reversible entre una posición cerrada que evita la comunicación fluídica entre dichas primera y segunda cámaras (2, 4) y una posición abierta que coloca dichas cámaras (2, 4) en comunicación fluídica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCION
Sistema y procedimiento de limpieza por ondas de choque para intercambiador térmico de una caldera
Ámbito técnico
La invención se refiere a un sistema de limpieza por ondas de choque que está destinado a ser instalado en cualquier sistema que emita polvo, cenizas o depósitos obstructivos. En particular, la invención se refiere a un sistema de limpieza por ondas de choque destinado a ser instalado en un sistema térmico de tipo caldera industrial, y que desemboca frente al menos a un intercambiador térmico de tipo vaporizador o sobrecalentador. La invención se refiere, más particularmente, a un sistema de limpieza tal como se define en el preámbulo de la reivindicación 1, y tal como se ilustra en el documento US2009/120336A1.
La invención se refiere además a una caldera que comprende intercambiadores térmicos y una pluralidad de sistemas de limpieza de los citados intercambiadores.
La invención se refiere también a un procedimiento de limpieza de al menos un intercambiador de la caldera implementado por el sistema de limpieza.
Técnica anterior
Entre las calderas industriales existentes, algunas son adecuadas para recuperar calor y, de hecho, están instaladas aguas abajo de un dispositivo de combustión que genera humos cargados de partículas. A modo de ejemplo, este tipo de caldera puede estar instalado a la salida de un dispositivo de incineración de residuos domésticos.
Los gases de combustión están cargados de partículas que se depositan en las paredes de los intercambiadores térmicos de la caldera, lo que genera depósitos en la superficie de las citadas paredes de intercambiadores térmicos.
La limpieza de las paredes de los intercambiadores térmicos es fundamental para garantizar el funcionamiento óptimo de los citados intercambiadores. Existen para esto sistemas de limpieza que utilizan gases explosivos para generar ondas de choque proyectadas contra la superficie de las paredes de intercambiadores térmicos. Esto tiene el efecto de romper y eliminar el depósito en las paredes de intercambiadores térmicos.
Se conocen sistemas denominados tubos de choque que comprenden clásicamente una cámara de aire comprimido de alta presión conectada a una cámara de baja presión por intermedio de un dispositivo de disparo rápido y denominados generalmente cañones de aire. La cámara de baja presión tiene preferentemente la forma de un tubo, cuyo extremo libre abierto está previsto para ser orientado en dirección a la superficie que haya que limpiar. Sin embargo, estos sistemas de disparo rápido generan ondas de choque cuya presión no es suficiente para romper y eliminar los depósitos adheridos en las paredes de intercambiadores térmicos, cuando las mismas están alejadas del cañón de aire, lo que rápidamente es el caso en los generadores de vapor industriales de gran capacidad (varios megavatios térmicos) con conductos de varios m2 de sección.
Lo mismo ocurre con los sistemas que generan ondas acústicas que no cumplen las condiciones de presión necesarias para una limpieza eficaz.
Para conseguir presiones suficientemente elevadas para romper y eliminar el depósito sobre las paredes de intercambiadores térmicos, existen igualmente tubos de choque de explosión, que comprenden una mezcla gaseosa con combustible y comburente, y un dispositivo de ignición de la mezcla gaseosa para crear una explosión. Esta explosión genera una onda de choque que se propaga en dirección al intercambiador que haya que limpiar para romper y eliminar los depósitos en sus paredes.
Estos últimos dispositivos de explosión presentan sin embargo inconvenientes: un coste demasiado elevado de funcionamiento y fuertes limitaciones relacionadas con la seguridad de utilización.
Exposición de la invención
La invención pretende así remediar el problema del estado de la técnica identificado anteriormente proponiendo un sistema de limpieza por ondas de choque para al menos un intercambiador térmico de una caldera, que presenta una eficacia de limpieza óptima, genera costes de funcionamiento razonables y funciona en condiciones óptimas de seguridad.
A tal efecto y en primer lugar, la invención se refiere a un sistema de limpieza para intercambiador térmico, adecuado para generar ondas de choque a partir de un gas y proyectarlas contra la superficie que haya que limpiar del intercambiador, cuyo sistema comprende al menos un dispositivo de limpieza que comprende una primera cámara de alta presión destinada a ser conectada fluídicamente a un tanque de gas a presión para alimentar gas a la citada primera cámara de alta presión, una segunda cámara de baja presión que comprende un orificio de escape de la onda de choque, y un dispositivo disparador accionable de manera reversible entre una posición de cierre que impide la comunicación de fluido entre las citadas primera y segunda cámaras, y una posición de apertura que coloca las citadas cámaras en comunicación de fluido.
El sistema de la invención puede comprender igualmente las características opcionales siguientes consideradas por separado o según todas las combinaciones técnicas posibles:
- La masa volúmica del gas a una presión de un bar es inferior o igual a 0,8 kg/m3.
- El gas es no explosivo.
- El gas que alimenta los diferentes elementos del sistema de limpieza es helio.
- La primera cámara forma una cámara de almacenamiento de gas a presión entre 50 bares y 300 bares. - El dispositivo de limpieza comprende un dispositivo de recuperación de gases de fuga en comunicación de fluido con una denominada zona de fuga que se extiende entre la primera cámara de alta presión desde la cual los citados gases de fuga son susceptibles de escapar, y el exterior del citado dispositivo.
- El dispositivo de recuperación de gases está conectado fluídicamente a un tanque de recuperación de los citados gases de fuga.
- El dispositivo de recuperación de gases comprende una cámara de recuperación.
- El sistema comprende un tanque intermedio destinado a ser conectado fluídicamente al tanque de gas a presión para ser alimentado por el citado tanque de gas a alta presión, y conectado fluídicamente a la primera cámara de alta presión del dispositivo de limpieza.
- El sistema comprende al menos un tanque complementario destinado a ser conectado fluídicamente al tanque de gas a presión para ser alimentado por el citado tanque de gas a presión, y conectado fluídicamente a la primera cámara de alta presión del dispositivo de limpieza.
- El tanque intermedio está conectado fluídicamente al dispositivo de recuperación para formar un tanque de recuperación de gases de fuga.
- La segunda cámara de baja presión es un tubo, cuyo primer extremo libre forma el orificio de escape de la onda de choque, y la primera cámara de alta presión está dispuesta coaxialmente con el tubo, estando un segundo extremo opuesto del tubo en comunicación de fluido con la primera cámara cuando el dispositivo disparador está en la posición de apertura.
- El dispositivo disparador comprende un pistón dispuesto coaxialmente con el tubo y con la primera cámara, cuya primera cámara forma una cavidad anular que rodea al menos a una parte del pistón en posición de cierre, y un dispositivo de accionamiento adaptado para accionar el pistón entre sus dos posiciones respectivamente de apertura y de cierre, cuyo pistón es móvil según su eje longitudinal entre su posición de cierre en la cual una porción del extremo libre del pistón está alojada en el tubo, y su posición de apertura en la cual el pistón está completamente desacoplado del tubo y permite la comunicación de fluido entre la primera cámara y el tubo. - El diámetro interno De de la cavidad anular y el diámetro interno Dp del tubo son tales que 0.5Dp < Desde < 3Dp.
- La longitud L del tubo 4 es entre ocho y doce veces superior a su diámetro exterior Dex.
- La zona de fuga es una unión deslizante que asegura el guiado en traslación entre el pistón y la primera cámara de alta presión.
- El dispositivo de accionamiento del pistón comprende un primer elemento mecánico solidario de un segundo extremo libre del pistón, cuyo primer elemento mecánico está configurado para llevar el pistón hacia su posición de apertura, y un segundo elemento mecánico solidario de una pared de la primera cámara de alta presión, cuyo segundo elemento mecánico está configurado para llevar y mantener el pistón hacia y en su posición de cierre.
- La velocidad de apertura del disparador es superior o igual a 1,5 mi.2 por segundo.
La invención se refiere igualmente a una caldera que comprende una pluralidad de intercambiadores térmicos y un sistema de limpieza tal como el descrito anteriormente y que comprende una pluralidad de dispositivos de limpieza, estando el orificio de escape de la segunda cámara de baja presión de cada dispositivo de limpieza enfrente de al menos un intercambiador de la caldera.
La invención se refiere además a un procedimiento de generación de una onda de choque de un sistema de limpieza tal como el descrito anteriormente, caracterizado por que comprende las etapas sucesivas de:
i. Accionamiento del dispositivo disparador hacia su posición de cierre seguido del aprovisionamiento de gas a la primera cámara de al menos un dispositivo de limpieza hasta que la citada primera cámara alcance una presión umbral determinada, siendo la masa volúmica del gas a una presión de un bar inferior a 0,8 kg/m3;
ii. Accionamiento del dispositivo disparador del dispositivo de limpieza considerado hacia su posición de apertura, poniendo en comunicación de fluido las primera y segunda cámaras y provocando la generación de una onda de choque que se propaga en la segunda cámara en dirección a su orificio de escape;
iii. Accionamiento del dispositivo disparador hacia su posición de cierre;
El procedimiento de la invención puede comprender igualmente las características opcionales siguientes consideradas por separado o según todas las combinaciones técnicas posibles:
- El procedimiento comprende una etapa inicial de purga de la primera cámara con el gas de aprovisionamiento y de la segunda cámara con otro gas más denso que el gas de aprovisionamiento, estando el dispositivo disparador en su posición de apertura.
- La duración de llenado en segundos de la primera cámara realizado en la etapa i es inferior o igual a diez veces el valor del volumen expresado en litros de la primera cámara.
- El umbral de presión P4 de la primera cámara alcanzado al final de la etapa i está comprendido entre 50 bares y 300 bares, y la presión P2 de la onda de choque 6 a nivel del orifico de escape 5 de la segunda cámara es superior a cinco bares.
- Las etapas i a iii se repiten cíclicamente según una frecuencia determinada.
- El procedimiento comprende, durante al menos las etapas i y iii, una etapa de recuperación continua por el dispositivo de recuperación de los gases de fuga que escapan de la primera cámara de alta presión.
- el dispositivo disparador comprende un pistón dispuesto coaxialmente con las primera y segunda cámaras, y un dispositivo de accionamiento adaptado para accionar el pistón según su eje longitudinal entre sus dos posiciones respectivamente de apertura y de cierre, cuyo dispositivo de accionamiento comprende un primer elemento previsto, cuando es activado, para llevar el pistón hacia su posición de apertura, y un segundo elemento mecánico previsto, cuando es activado, para llevar el pistón hacia su posición de cierre, caracterizado por que la etapa ii comprende: • una subetapa de activación del primer elemento mecánico por medios de activación de manera que genere una fuerza mecánica sobre el pistón que tienda a llevar a este último hacia su posición de apertura, siendo mantenido el pistón en su posición de cierre por el segundo elemento mecánico activado;
• tan pronto como la fuerza mecánica alcanza un valor umbral, desactivación concomitante del primer elemento mecánico y del segundo elemento mecánico que induce el desplazamiento brusco del pistón hacia su posición de apertura;
y por que la etapa iii comprende:
• una subetapa de activación de los medios de activación que llevan el pistón de su posición de apertura a su posición de cierre, y después de activación del segundo elemento mecánico para mantener el pistón en su posición de cierre, permaneciendo el primer elemento mecánico en estado inactivo.
• La subetapa de activación del primer elemento mecánico 18 se lleva a cabo antes de la etapa i.
Breve descripción de los dibujos
Otras características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto con la lectura de la descripción que sigue, con referencia a las figuras adjuntas, las cuales ilustran:
- Figura 1: la figura 1 representa una vista en corte longitudinal de un dispositivo de limpieza del sistema de limpieza según la invención;
- Figura 2: la figura 2 representa una vista esquemática del sistema de limpieza según la invención;
- Figura 3: la figura 3 representa una vista esquemática del sistema de limpieza según un segundo modo de realización;
- Figura 4: la figura 4 representa una vista esquemática del sistema de limpieza según una variante del segundo modo de realización;
- Figuras 5a a 5e: las figuras 5a a 5e representan una cinemática de la generación de una onda de choque por el dispositivo de limpieza de la figura 1;
- Figura 6: la figura 6 representa una vista esquemática en corte de una caldera de convección vertical que comprende una pluralidad de intercambiadores térmicos y un sistema de limpieza de la invención.
Para mayor claridad, los elementos idénticos o similares están indicados por signos de referencia idénticos en todas las figuras.
La invención se comprenderá mejor con la lectura de la descripción que sigue y con el examen de las figuras que la acompañan. Estas se presentan a título indicativo y en modo alguno limitativo de la invención.
Descripción detallada
Con referencia a las figuras 1 y 2, el sistema de limpieza 1 comprende al menos un dispositivo de limpieza 10 que se extiende según un eje longitudinal X y que comprende una primera cámara 2 denominada de alta presión, que está adaptada para almacenar gas a una presión entre 50 bares y 300 bares, preferentemente entre 70 bares y 150 bares. El dispositivo de limpieza 10 comprende igualmente una segunda cámara 4 denominada de baja presión, que comprende un orificio abierto 5 que desemboca hacia el exterior que está a una presión próxima a la presión atmosférica. Este orificio abierto es el orificio de escape 5 de las ondas de choque 6 que permite limpiar los intercambiadores térmicos 22, como se especificará más adelante.
La segunda cámara es un tubo 4, cuyo primer extremo libre forma el orificio de escape de ondas de choque 5. El tubo 4 es preferentemente de sección cilíndrica, pero igualmente puede ser de sección poligonal sin salirse del marco de la invención. La superficie de esta sección está comprendida preferentemente entre 30 cm2 y 70 cm.2. El tubo 4 comprende además un segundo extremo libre opuesto 14 que se aloja en la primera cámara de alta presión 2. En lo que sigue de la descripción, se utilizará la terminología «tubo de baja presión» para designar la segunda cámara de baja presión 4.
La primera cámara de alta presión 2 comprende un primer elemento cilíndrico hueco 25 que comprende una pared de fondo 26 atravesada en su centro por el tubo 4, de manera que el segundo extremo libre 14 del citado tubo de baja presión 4 desemboca en este primer elemento 25. La solidarización entre la pared externa del tubo 4 y la pared de fondo 26 es perfectamente estanca. Preferentemente, el tubo 4 y el primer elemento 25 forman una sola y única pieza. El primer elemento 25 comprende además un labio anular 27 en el borde de la pared cilíndrica 28 del primer elemento 25, cuya función se especificará en lo que sigue.
La primera cámara de alta presión 2 comprende además un segundo elemento cilíndrico hueco 29 del mismo diámetro que el primer elemento hueco 25, que comprende igualmente una pared de fondo 32 y un labio anular 30 en el borde de la pared cilíndrica 31 del citado segundo elemento 29. Los primero y segundo elementos 25, 29 están solidarizados coaxialmente entre sí a lo largo del eje X a nivel de sus respectivos labios anulares, preferentemente por pernos o por cualquier otro medio de solidarización conocido. De manera alternativa los primero y segundo elementos 25, 29 pueden formar una sola y única pieza.
El dispositivo de limpieza 10 comprende un dispositivo disparador 7 cuya función es permitir la generación de ondas de choque 6 (véase la figura 5e) que se propagan en el tubo de baja presión 4 hacia el orificio de escape 5. Para permitir la formación de una onda de choque plana 6 en el tubo 4, este último tiene una longitud L comprendida entre ocho y doce veces su diámetro exterior Dex, y preferentemente tiene una longitud L igual a diez veces el diámetro exterior Dex del citado tubo.
Una onda de choque es una onda mecánica resultante de un evento que provoca una transición brusca y/o una discontinuidad de presión. Una onda de choque puede ser generada así durante un cambio brusco en la presión de gas, por ejemplo, durante una explosión.
En el caso presente, la onda de choque se genera tras la puesta en comunicación de dos medios, por ejemplo gaseosos, que presentan presiones iniciales muy diferentes, siendo generada de hecho la onda de choque sin explosión. El frente de la onda de choque se propaga entonces a una velocidad necesariamente supersónica.
El dispositivo disparador 7 comprende un pistón 13 de sección en forma de T, que comprende un cuerpo central cilíndrico 130 que atraviesa la pared de fondo 32 del segundo elemento 29 a través de un orificio del mismo diámetro que el del cuerpo central 130, de manera que el pistón 13, los primero y segundo elementos 25, 29 de la primera cámara de alta presión 2 y el tubo 4 son todos coaxiales según el eje X. A una y otra parte de su cuerpo central 130, el pistón 13 comprende una primera porción cilíndrica de extremo libre 16 y una segunda porción cilíndrica de extremo libre 17.
El pistón 13 es móvil según su eje longitudinal entre dos posiciones, respectivamente de cierre y de apertura.
En su posición de cierre tal como se representa en la figura 1, la primera porción de extremo libre 16 del pistón se aloja en el tubo de baja presión 4 para impedir la comunicación de fluido entre el citado tubo de baja presión 4 y la primera cámara de alta presión 2. Como se representa en la figura 1, el pistón 13 comprende un primer reborde 33 que define el límite entre el cuerpo central 130 del pistón, cuyo diámetro es igual al diámetro externo del tubo de baja presión 4, y el primer extremo libre 16 del pistón 13 cuyo diámetro Dp es igual al diámetro interno del tubo 4. El pistón 13 comprende además un segundo reborde 34 que delimita el cuerpo central 130 y la segunda porción de extremo libre 17 cuyo diámetro es superior al del cuerpo central 130.
Así, en su posición de cierre representada en la figura 1, el primer reborde 33 del pistón 13 está a tope contra el borde periférico del segundo extremo libre 14 del tubo de baja presión 4, y el segundo reborde 34 del pistón 13 está a tope contra la cara externa de la pared de fondo 32 del segundo elemento 29 de la primera cámara 2. La primera cámara de alta presión 2 forma así una cavidad anular 20 cuando el pistón 13 está en su posición de cierre.
En su posición de apertura (véase la figura 5e), la primera porción de extremo libre 16 del pistón 13 está desacoplada del tubo de baja presión 4, de modo que la primera cámara de alta presión 2 y el tubo de baja presión 4 estén en comunicación de fluido.
Así, cuando el pistón 13 pasa de su posición de cierre a su posición de apertura, siempre que la primera cámara de alta presión 2 esté a una presión suficiente, se genera una onda de choque 6 y se propaga en el tubo de baja presión 4 a una velocidad supersónica comprendida entre 1,5 y 5 veces el número de Mach. Para asegurar la generación de esta onda de choque 6 que sea suficientemente eficaz para asegurar la limpieza del intercambiador 22 (véase la figura 6), la relación entre la presión de la onda de choque P2 y la presión inicial P1 en el tubo de baja presión 4 cuando el pistón 13 está en posición cerrada, debe estar entre 5 y 25. Cuanto mayor sea esta relación, más elevada será la presión P2 de la onda de choque y más asegurará la citada onda de choque 6 una limpieza eficaz. La presión P2 es superior a cinco bares, y está comprendida típicamente entre cinco y veinticinco bares, preferentemente entre diez y veinte bares.
Esta relación P2/P1 se puede calcular según la ecuación de Hugoniot que describe, en mecánica de fluidos, el comportamiento de un fluido isoentrópico. Esta ecuación tiene la siguiente forma:
P4 es la presión que reina en la cavidad anular 20, es decir en la primera cámara de alta presión 2, cuando el pistón 13 está en posición de cierre, y c1 y c4 corresponden a la velocidad del sonido en el gas respectivamente a la presión P1 y a la presión P4. Los coeficientes K1, K2, K3 y K4 dependen de y, que a su vez es un coeficiente politrópico; en primera aproximación, y corresponde al coeficiente de Laplace.
La resolución de esta ecuación muestra que para obtener una relación P2/P1 entre 5 y 25, la relación P4/P1 debe estar comprendida entre 10 y 300. Siendo P1 próxima a la presión atmosférica, esto significa que la presión P4 que reina en la cavidad anular 20 cuando el pistón 13 está todavía en posición de cierre debe estar comprendida entre 10 bares y 300 bares, preferentemente superior a 50 bares. Además, para limitar las fuerzas de presión sobre el pistón, el diámetro interno De de la cavidad anular 20 y el diámetro interno Dp del tubo 4 son tales que 0,5Dp < De < 3Dp. Tal presión puede obtenerse conectando por medios fluídicos apropiados 35 la primera cámara de alta presión 2 a un tanque de gas a alta presión 3. Según la invención, el gas utilizado es no explosivo y de baja densidad, y presenta una masa volúmica inferior a 0,8 kg/m3 cuando su presión es de un bar. A modo de ejemplo, el tanque de gas 3 comprende botellas de helio 36, 360, 361 a 200 bares o 300 bares (véanse las figuras 2, 3 y 4).
Para franquear la caída progresiva de presión de las botellas de helio 36 inherente al vaciado progresivo de las citadas botellas, es ventajoso en una primera alternativa representada en la figura 2 conectar fluidamente entre el tanque de alimentación 3 y la primera cámara de alta presión 2 de cada dispositivo de limpieza 10 un tanque intermedio 100 cuya presión de funcionamiento es de algunos bares, comprendida típicamente entre 2 bares y 5 bares. Se conecta entonces fluídicamente 12, 35 un compresor controlado 37 entre este tanque intermedio 100 y la primera cámara de alta presión 2 de cada dispositivo de limpieza 10, para permitir alimentar gas a esta primera cámara de alta presión 2 hasta una presión del orden de 300 bares. Finalmente, se conecta una válvula controlada 39 a la entrada del tanque intermedio 100, para controlar la llegada de gas al citado tanque intermedio 100.
En una segunda alternativa representada en las figuras 3 y 4, aún para franquear la disminución progresiva de presión de las botellas de helio 360, 361 inherente al vaciado progresivo de las citadas botellas, es ventajoso prever al menos un tanque complementario 200, 201 conectado fluidamente entre el tanque de alimentación 3 y la primera cámara de alta presión 2 de cada dispositivo de limpieza 10 por los medios fluídicos 35.
Según una primera variante de esta segunda alternativa representada en la figura 3, el sistema de limpieza 1 comprende un único tanque complementario 200 que comprende una pluralidad de botellas de gas 360 cuya presión se mantiene al menos 1,2 veces, idealmente 1,5 veces, superior a la presión P4 de la primera cámara de alta presión 2 cuando esta última está cargada de gas y el pistón 13 está en posición de cierre. Esta presión es mantenida por un compresor 47 conectado fluídicamente entre el tanque de alimentación 3 y el tanque complementario 200.
Según una segunda variante representada en la figura 4, el sistema de limpieza 1 comprende tantos tanques complementarios 201 como dispositivos de limpieza 10 existen, comprendiendo cada tanque complementario 201 al menos una botella de gas a presión 361. Cada tanque complementario 201 está conectado fluídicamente entre el tanque de alimentación 3 y el dispositivo de limpieza considerado 10. Además, el sistema de limpieza 1 comprende
una pluralidad de compresores 47, cada uno conectado fluidamente aguas arriba del tanque complementario considerado 201 con el fin de asegurar una presión en las botellas 361 al menos igual a 1,2 veces la presión P4 , e idealmente al menos igual a 1,5 veces esta presión P4. Esta segunda variante es preferible cuando la distancia entre el tanque de alimentación 3 y los dispositivos de limpieza 10 es grande, porque la integración de una pluralidad de tanques complementarios 201 en la proximidad de los dispositivos de limpieza 10 permite reducir la duración de llenado de las primeras cámaras 2 de los dispositivos de limpieza considerados 10.
Todavía con referencia a la figura 1, el dispositivo disparador 7 comprende un dispositivo de accionamiento 15 del pistón 13 adaptado para accionar el citado pistón entre sus dos posiciones respectivamente de apertura y de cierre.
Este dispositivo de accionamiento 15 comprende una placa circular coaxial 40 provista de un vástago central 46 que se extiende perpendicularmente a la citada placa 40, cuyo vástago 46 se aloja en un orificio longitudinal 42 dispuesto en el interior del pistón 13. El dispositivo de accionamiento 15 comprende además un primer elemento mecánico 18, preferentemente un muelle helicoidal cuyos extremos son respectivamente solidarios de la placa 40 y de la cara externa 170 de la segunda porción de extremo libre 17 del pistón. Así, cuando la placa 40 se aleja del pistón 13 por intermedio de medios mecánicos controlados 24, por ejemplo uno o varios gatos, el muelle 18 se estira y genera una fuerza F1 sobre el pistón 13 que tiende a llevar este último hacia su posición de apertura.
Según una primera alternativa, el dispositivo comprende un segundo elemento mecánico 19, o en su caso neumático 19, alojado en una abertura de forma correspondiente practicada en la pared de fondo 32 del segundo elemento 29 de la primera cámara 2. Cuando este segundo elemento 19 es accionado, genera una fuerza de mantenimiento del segundo reborde 34 del pistón 13 contra el segundo elemento 29 de la primera cámara 2, y por lo tanto tiende a llevar el pistón 13 hacia su posición de cierre y a mantenerlo en esta posición.
Según una segunda alternativa, el dispositivo de accionamiento 15 comprende un elemento electromagnético, formado por un electroimán anular conectado a medios de alimentación eléctrica (no representados) y alojado en una abertura de forma correspondiente dispuesta en la pared de fondo 32 del segundo elemento 29 de la primera cámara 2. Cuando el electroimán es alimentado con electricidad, genera una fuerza de atracción sobre el segundo reborde 34 del pistón 13 que tiende a presionar este último contra el segundo elemento 29 de la primera cámara 2, y por lo tanto a llevar el pistón 13 hacia su posición de cierre y mantenerlo en esta posición.
Como se ha especificado anteriormente, para generar ondas de choque eficaces 6, es decir a una presión superior a 5 bares y con una velocidad de propagación comprendida entre 1,5 y 5 veces el número de Mach, es necesario alcanzar altas presiones de gas en la primera cámara de alta presión 2, del orden de 50 bares a 300 bares. Tales presiones, acopladas a la utilización de un gas ligero como el helio, generan fugas de gas que proviene de la primera cámara 2 por una zona denominada de fuga 9 que se extiende desde la primera cámara 2 hasta el exterior. Esta zona 9 está definida por la unión deslizante entre el pistón 13 y la primera cámara de alta presión 2 que permite el guiado en traslación de estas dos piezas 13, 2 entre sí. En la figura 1, se trata de la superficie anular de contacto 9 entre el cuerpo central 130 del pistón y el segundo elemento 29 de la primera cámara de alta presión 2, a la que se añade la superficie de contacto entre la cara externa de la pared de fondo 32 y la cara interna del segundo extremo libre del pistón 17.
Para evitar pérdidas de gas debidas a estas fugas, las duraciones de llenado de la primera cámara 2 y los tiempos de retardo entre el final del llenado de la citada primera cámara 2 y la generación de una onda de choque 6 se adaptan según un procedimiento de generación de ondas de choque por el sistema de limpieza 1, cuyo procedimiento se describirá en detalle en lo que sigue.
Aunque esta adaptación de las duraciones de llenado y de los tiempos de retardo representa una solución preferida y suficiente, el dispositivo de limpieza 10 puede comprender igualmente, según la invención, un dispositivo de recuperación 8 de los citados gases de fuga 23 procedentes de la primera cámara de alta presión 2 cuando el pistón 13 está en su posición de cierre.
El dispositivo de recuperación de los gases de fuga 8 comprende una cámara de recuperación 11 en comunicación de fluido con la zona de fuga 9. De esta forma, el gas procedente de la primera cámara de alta presión 2 y que ha escapado por la zona de fuga 9 es recuperado y almacenado en esta cámara de recuperación. 11
Esta cámara de recuperación 11 comprende un orificio pasante, cuyo borde periférico está solidarizado de manera estanca al borde periférico de la pared de fondo 32 del segundo elemento hueco 29. Toda la parte del dispositivo de limpieza 10 situada aguas arriba de la unión entre el pared de fondo 32 del segundo elemento hueco 29 y la cámara de recuperación 11 queda así alojada en la citada cámara de recuperación 11, considerando que los términos aguas arriba y aguas abajo son relativos al sentido de propagación de la onda de choque 6 en el tubo de baja presión 4. Finalmente, para beneficiarse de una cámara de recuperación 11 lo más voluminosa posible, la pared de fondo 32 del segundo elemento hueco 29 es más ancha que la pared cilíndrica 31 del citado segundo elemento hueco 29.
Haciendo referencia a la figura 2, la cámara de recuperación 11 de cada dispositivo de limpieza 10 (dos están representados en la figura 2) está conectada de forma fluida al tanque intermedio 100 por canalizaciones adecuadas 41. El tanque intermedio 100 forma así tanque de recuperación de los gases de fuga. 23. Estos gases de fuga 23 recuperados en la cámara de recuperación 11 son así reinyectados en el tanque intermedio 100, con el fin de servir
para el futuro llenado de la primera cámara de alta presión 2. El dispositivo de recuperación 8 asegura por tanto el reciclaje de los gases de fuga 23.
De manera alternativa, no representada, el tanque de recuperación es diferente del tanque intermedio 100 y puede consistir, por ejemplo, en una pluralidad de botellas que haya que llenar.
Con referencia a las figuras 5a a 5e, se describe el procedimiento de generación de ondas de choque por el sistema de limpieza 1.
En el transcurso de la primera etapa (véase la figura 5a), la válvula 39 que asegura la circulación de gas desde el tanque de alimentación 3 es controlada en apertura para permitir la acumulación de gas en la primera cámara de alta presión 2. El pistón 13 es en esta etapa mantenido o previamente accionado en su posición de cierre, estando el muelle 18 en su posición de reposo y el segundo elemento mecánico 19 accionado. De manera que se limiten al máximo los gases de fuga 23 fuera de la primera cámara de alta presión 2, la duración de llenado es muy corta, e idealmente, esta duración expresada en segundos es inferior o igual a diez veces el valor del volumen expresado en litros de la primera cámara 2. A modo de ejemplo, si la primera cámara 2 presenta un volumen de un litro, la duración de llenado de la citada cámara 2 es inferior o igual a diez segundos.
En el transcurso de una segunda etapa (véanse las figuras 5b y 5c), tan pronto como la presión en la primera cámara 2 alcance un umbral determinado, medido por ejemplo por un sensor de presión integrado en el sistema de limpieza 1, la válvula 39 es controlada en cierre para detener la llegada de gas desde el tanque de alimentación 3. Después de un primer retardo de tiempo determinado, típicamente inferior a cinco segundos para evitar los gases de fuga 23 fuera de la primera cámara 2, los gatos 24 son activados (véase la figura 5b) para alejar la placa 40 del pistón 13. Esto tiene el efecto de tensar el muelle 18 almacenado entre el pistón 13 y la placa 40 y de generar una fuerza de tensión F1 que tiende a desplazar el pistón 13 hacia su posición de apertura. Los gatos 24 se detienen tan pronto como el muelle 18 alcanza la extensión deseada para generar la fuerza de valor determinado (véase figura 5c) cuyo valor está comprendido típicamente entre 2000 Newtons y 10000 Newtons.
De manera especialmente ventajosa, la primera etapa se realiza después de la segunda etapa. De esta forma, no es necesario aplicar un retardo entre el final del llenado de la primera cámara 2 y el accionamiento de los gatos 24. La duración entre el final del llenado y la generación de una onda de choque 6 será entonces reducida, lo que tiene el efecto de limitar aún más las fugas de gas de la primera cámara 2.
En el transcurso de la tercera etapa (véanse las figuras 5d y 5e), mientras que la válvula 39 es mantenida cerrada o controlada en cierre, el segundo elemento mecánico 19 ya no está accionado, de modo que ya no existe ninguna fuerza de resistencia a la fuerza mecánica F1 generada por el muelle 18. Esto provoca el desplazamiento rápido del pistón 13 (véanse las flechas 45 en la figura 5d) hacia su posición de apertura (véase la figura 5e) y la puesta en comunicación brusca de fluido entre la primera cámara 2 y el tubo 4. La velocidad de apertura es superior a 1,5 m2 por segundo, y está comprendida típicamente entre 1,5 m2 y 3,5 m2 por segundo, para un tubo 4 cuya sección está comprendida entre 30 cm2 y 70 cm2. Esto significa que el tiempo de desplazamiento del pistón 13 entre sus dos posiciones está entre 0,2 milisegundos y 15 milisegundos, preferentemente entre 2 milisegundos y 4 milisegundos, lo que corresponde a una velocidad longitudinal del pistón 13 del orden de 10 metros por segundo en el momento de la puesta en comunicación de fluido de la primera la cámara 2 y del tubo 4, siendo la velocidad mínima del pistón 13 para permitir la generación de una onda de choque 6 supersónica de 8 metros por segundo. El desplazamiento rápido del pistón 13 es el que permite la generación de una onda de choque supersónica 6, sin que sea necesaria ninguna combustión o explosión.
De manera particularmente ventajosa, el extremo libre 16 del pistón 13 que se aloja en el tubo 4 cuando el citado pistón 13 está en su posición de cierre presenta una longitud suficiente al menos igual a 2 centímetros. Así el pistón 13, durante su desplazamiento hacia su posición de apertura debido al accionamiento del muelle 18, acelera antes de la puesta en comunicación de fluido entre la primera cámara 2 y el tubo 4, para alcanzar una velocidad suficiente superior a 8 metros por segundo en el momento en que su extremo libre 16 se desacople del tubo y permita la puesta en comunicación de fluido de la primera cámara 2 y del tubo 4.
Se obtiene así la generación de una onda de choque 6 que se propaga en el tubo de baja presión 4 hasta su abertura de escape 5 por donde escapa la onda de choque (véase la figura 5e).
Finalmente, en el transcurso de la cuarta etapa, los gatos 24 son accionados después de un segundo retardo determinado para llevar la placa 40 y el gato 24 hacia su posición de cierre. El segundo elemento mecánico 19 es accionado entonces para bloquear el pistón 13 en su posición de cierre.
Estas cuatro etapas se repiten de manera cíclica según una frecuencia determinada, por ejemplo dos disparos por dispositivo de limpieza 10 y por hora.
De manera ventajosa y preferente, el procedimiento comprende una etapa preliminar de purga de la cámara de alta presión 2 con el gas de alimentación procedente del tanque 3, y del tubo 4 con otro gas más denso, típicamente aire comprimido. La primera cámara 2 se barre entonces con un volumen de helio correspondiente de una a tres veces el volumen de la citada primera cámara 2 mientras que el pistón 13 está en su posición de apertura. Paralelamente, se
purga el tubo 4 con un volumen de aire comprimido correspondiente de dos a cuatro veces el volumen del citado tubo 4. Esta etapa previa aumenta la eficacia del sistema de limpieza 1.
Finalmente, cuando el sistema de limpieza comprende un dispositivo de recuperación de gases de fuga 8, el procedimiento comprende una etapa de recuperación continua de los gases de fuga 23, que se implementa durante el procedimiento, para permitir la recuperación de los gases de fuga en la cámara de recuperación 11 siempre que la primera cámara 2 esté presurizada, es decir mientras que el pistón 13 esté en su posición de cierre y la primera cámara de alta presión 2 esté alimentada con gas.
Haciendo referencia a la figura 4, el sistema de limpieza 1 de la invención comprende una pluralidad de dispositivos de limpieza 10 instalados frente a los intercambiadores térmicos 22 de una caldera de convección vertical 21 de tipo conocido. Esta caldera comprende un conducto 43 de circulación de humos industriales a alta temperatura 44, en el cual están instalados una pluralidad de intercambiadores térmicos 22. En contacto con los humos 44, estos intercambiadores térmicos 22 recuperan el calor de los humos, pero un depósito de partículas termina por ensuciar las paredes de los intercambiadores 22, lo que reduce la eficiencia de los intercambiadores térmicos 22.
Para limpiar los intercambiadores térmicos 22, los dispositivos de limpieza 10 están dispuestos de tal manera que el orificio de escape 5 de su tubo 4 esté enfrente del intercambiador térmico 22 que haya que limpiar. Una disposición inteligente de los dispositivos de limpieza 10 permite generar ondas de choque 6 en las paredes del conjunto de los intercambiadores térmicos 22.
Cada dispositivo de limpieza 10, que comprende un sistema mecánico de disparo por pistón 13 combinado con una utilización de un gas de baja masa volúmica, permite así generar ondas de choque 6 de alta presión para permitir romper y eliminar el depósito en las paredes de los intercambiadores térmicos. Además, al ser el gas no explosivo, las condiciones de seguridad durante la utilización del citado sistema de limpieza 1 son óptimas, y los costes de funcionamiento son reducidos.
Los modos de realización descritos anteriormente no son en modo alguno limitativos, y a los mismos pueden ser aportadas modificaciones sin salirse del marco de la invención. Por ejemplo, se puede imaginar otra configuración para el dispositivo de disparo 7 del dispositivo de limpieza 10, pudiendo comprender este último posiblemente una válvula de guillotina controlada que separe la primera cámara de alta presión 2 y el tubo 4. Además, cualquier tipo de gas cuya masa volúmica a un bar sea inferior a 0,8 kg/m3 es compatible con el sistema de limpieza 1 de la invención.
Claims (23)
1. Sistema de limpieza (1) para intercambiador térmico, adaptado para generar ondas de choque supersónicas a partir de un gas y proyectarlas contra la superficie del intercambiador, estando caracterizado el citado sistema (1) por que comprende al menos un dispositivo de limpieza (10) que comprende una primera cámara de alta presión (2) destinada a ser conectada fluídicamente a un tanque de gas a presión (3) para alimentar gas a la citada primera cámara de alta presión (2), una segunda cámara de baja presión (4) que comprende un orificio de escape (5) de la onda de choque (6), y un dispositivo disparador (7) accionable de manera reversible entre una posición de cierre que impide la comunicación de fluido entre las citadas primera y segunda cámaras (2, 4), y una posición de apertura que pone las citadas cámaras (2, 4) en comunicación de fluido, siendo la velocidad de apertura del dispositivo disparador (7), durante la utilización de este sistema, superior o igual a 1,5 m2 por segundo.
2. Sistema (1) según la reivindicación precedente, caracterizado por que la masa volúmica del gas a una presión de un bar es inferior o igual a 0,8 kg/m3.
3. Sistema (1) según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que el gas es no explosivo.
4. Sistema (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el gas que alimenta los diferentes elementos del sistema de limpieza (1) es helio.
5. Sistema (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la primera cámara (2) forma una cámara de almacenamiento del gas a presión entre 50 bares y 300 bares.
6. Sistema (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la segunda cámara de baja presión es un tubo (4) del cual un primer extremo libre forma el orificio de escape de la onda de choque (5), y por que la primera cámara de alta presión (2) está dispuesta coaxialmente con el tubo (4), estando un segundo extremo opuesto (14) del tubo (4) en comunicación de fluido con la primera cámara (2) cuando el dispositivo disparador (7) está en la posición de apertura.
7. Sistema (1) según la reivindicación precedente, caracterizado por que el dispositivo disparador (7) comprende un pistón (13) dispuesto coaxialmente con el tubo (4) y con la primera cámara (2), cuya primera cámara (2) forma una cavidad anular (20) que rodea al menos a una parte del pistón (13) en la posición de cierre, y un dispositivo de accionamiento (15) adaptado para accionar el pistón (13) entre sus dos posiciones respectivamente de apertura y de cierre, cuyo pistón (13) es móvil según su eje longitudinal entre la posición de cierre en la cual una porción de extremo libre (16) del pistón (13) está alojada en el tubo (4), y su posición de apertura en la cual el pistón (13) está totalmente desacoplado del tubo (4) y permite la comunicación de fluido entre la primera cámara (2) y el tubo (4).
8. Sistema (1) según las reivindicaciones 6 o 7, caracterizado por que la longitud L del tubo (4) es entre ocho y doce veces superior a su diámetro exterior Dex.
9. Sistema (1) según la reivindicación 8, caracterizado por que el dispositivo de accionamiento (15) del pistón (13) comprende un primer elemento mecánico (18) solidario de un segundo extremo libre del pistón (17), cuyo primer elemento mecánico (18) está configurado para llevar el pistón (13) hacia su posición de apertura, y un segundo elemento mecánico (19) solidario de una pared de la primera cámara de alta presión (2), cuyo segundo elemento mecánico (19) está configurado para llevar y mantener el pistón (13) hacia y en su posición de cierre.
10. Sistema (1) según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que el dispositivo de limpieza comprende un dispositivo de recuperación de gases de fuga (8) en comunicación de fluido con una zona denominada de fuga (9) que se extiende entre la primera cámara de alta presión (2) desde la cual los citados gases de fuga (23) son susceptibles de escapar, y el exterior del citado dispositivo (10).
11. Sistema (1) según la reivindicación precedente, caracterizado por que el dispositivo de recuperación de gases (8) está conectado fluídicamente a un tanque de recuperación (10) de los citados gases de fuga.
12. Sistema (1) según las reivindicaciones 10 u 11, caracterizado por que el dispositivo de recuperación de gases (8) comprende una cámara de recuperación (11).
13. Sistema (1) según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que comprende al menos un tanque complementario (200, 201) destinado a ser conectado fluídicamente al tanque de gas a presión (3) para ser alimentado por el citado tanque de gas a presión (3), y conectado fluídicamente a la primera cámara de alta presión (2) del dispositivo de limpieza (10).
14. Sistema (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13 y según la reivindicación 7, caracterizado por que la zona de fuga (9) es una unión deslizante que asegura el guiado en traslación entre el pistón (13) y la primera cámara de alta presión (2).
15. Caldera (21) que comprende una pluralidad de intercambiadores térmicos (22) y un sistema de limpieza (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 que comprende una pluralidad de dispositivos de limpieza (10), caracterizada por que el orificio de escape (5) de la segunda cámara de baja presión (4) de cada dispositivo de
limpieza (10) está enfrente de al menos un intercambiador (22) de la caldera (21).
16. Procedimiento de generación de una onda de choque de un sistema de limpieza (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado por que comprende las etapas sucesivas de:
i. Accionamiento del dispositivo disparador (7) hacia su posición de cierre seguido del aprovisionamiento de gas a la primera cámara (2) de al menos un dispositivo de limpieza (10) hasta que la citada primera cámara (2) alcance una presión umbral determinada P4 , siendo la masa volúmica del gas a una presión de un bar inferior a 0,8 kg/m3;
ii. Accionamiento del dispositivo disparador (7) del dispositivo de limpieza considerado (10) hacia su posición de apertura, poniendo en comunicación de fluido las primera y segunda cámaras (2,4) y provocando la generación de una onda de choque (6) que se propaga en la segunda cámara (4) en dirección a su orificio de escape (5);
iii. Accionamiento del dispositivo disparador (7) hacia su posición de cierre;
17. Procedimiento según la reivindicación precedente, caracterizado por que comprende una etapa inicial de purga de la primera cámara (2) con el gas de aprovisionamiento y de la segunda cámara (3) con otro gas más denso que el gas de aprovisionamiento, estando el disparador (7) en su posición de apertura.
18. Procedimiento según las reivindicaciones 16 o 17, caracterizado por que la duración en segundos del llenado de la primera cámara realizado en la etapa i es inferior o igual a diez veces el valor del volumen expresado en litros de la primera cámara (2).
19. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18, caracterizado por que la presión umbral P4 de la primera cámara (2) alcanzada al final de la etapa i está comprendida entre 50 bares y 300 bares, y por que la presión P2 de la onda de choque (6) a nivel del orificio de escape (5) de la segunda cámara (4) es superior a cinco bares.
20. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 19, caracterizado por que las etapas i a iii se repiten cíclicamente según una frecuencia determinada.
21. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 20, caracterizado por que comprende, durante al menos las etapas i y iii, una etapa de recuperación continua de los gases de fuga (23) que escapan de la primera cámara de alta presión (2) por el dispositivo de recuperación (8).
22. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 21, comprendiendo el dispositivo disparador (7) un pistón (13) dispuesto coaxialmente con las primera y segunda cámaras (2, 4), y un dispositivo de accionamiento (15) adaptado para accionar el pistón (13) según su eje longitudinal entre sus dos posiciones respectivamente de apertura y de cierre, cuyo dispositivo de accionamiento (15) comprende un primer elemento mecánico (18) previsto, cuando es activado, para llevar el pistón (13) hacia su posición de apertura, y un segundo elemento mecánico (19) previsto, cuando es activado, para llevar el pistón (13) a su posición de cierre, caracterizado por que la etapa ii comprende:
• una subetapa de activación del primer elemento mecánico (18) por medios de activación (24) de manera que genere una fuerza mecánica F1 sobre el pistón (13) que tienda a llevar a este último hacia su posición de apertura, siendo mantenido el pistón (13) en su posición de cierre por el segundo elemento mecánico (19) activado;
• tan pronto como la fuerza mecánica F1 alcance un valor umbral, desactivación concomitante del primer elemento mecánico (18) y del segundo elemento mecánico (19) que induce el desplazamiento brusco del pistón (13) hacia su posición de apertura;
y por que la etapa iii comprende:
• una subetapa de activación de los medios de activación (24) que llevan el pistón (13) de su posición de apertura a su posición de cierre, y después de activación del segundo elemento mecánico (19) para mantener el pistón (13) en su posición de cierre, permaneciendo el primer elemento mecánico (18) en un estado inactivo.
23. Procedimiento según la reivindicación precedente, caracterizado por que la subetapa de activación del primer elemento mecánico (18) se realiza previamente a la etapa i.
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