ES2969639T3 - Dispositivo calentador para un quemador de premezcla - Google Patents

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Abstract

Disposición de quemador para quemador de premezcla (4), con un cuerpo de quemador (5), al que se le puede suministrar una mezcla de aire y gas combustible, que está fijado a o en una pared (2) de una cámara de combustión. cámara (1), sobresale hacia ella y en la cámara de combustión (1) presenta aberturas de salida (9) para la salida de la mezcla, teniendo el cuerpo del quemador (5) un interior (6) con una zona de entrada (7) y una área de salida (8), estando el interior (6) en el área de entrada (7) tiene al menos un elemento (11) para generar remolinos o turbulencias, de manera que cuando la mezcla fluye a través del área de entrada (7), un interior inferior Se crea presión que en la zona de salida (8) y que en la cámara de combustión (1), y en la zona de entrada (7) están presentes aberturas de conexión (10) a la cámara de combustión (1). Mediante cambios estructurales sencillos en el quemador de un calentador, la invención permite una reducción de la temperatura de combustión y, por tanto, una reducción de las emisiones contaminantes, en particular de óxidos de nitrógeno, en los calentadores, en particular aquellos que funcionan con hidrógeno o con combustible que contiene hidrógeno. gases. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo calentador para un quemador de premezcla
La invención se refiere a un dispositivo calentador con una cámara de combustión y una disposición de quemador con un quemador de premezcla.
Los dispositivos calentadores modernos funcionan con una mezcla de aire y gas combustible. Para ello se conduce aire mezclado con una proporción adecuada de gas combustible mediante un ventilador a un quemador que presenta aberturas de salida para la mezcla, que después de salir del quemador se quema en una cámara de combustión. La mezcla se regula con mucha precisión para evitar la formación de contaminantes, de modo que la combustión se produzca de la forma más completa posible. Los gases de combustión resultantes contienen sólo una pequeña cantidad de oxígeno, pero dependiendo del gas combustible, vapor de agua, dióxido de carbono y principalmente nitrógeno. Durante la combustión también se pueden formar pequeñas cantidades de óxidos de nitrógeno, en lo sucesivo denominados NOX, lo que es indeseable pero no totalmente evitable, especialmente a altas temperaturas de combustión. En determinados gases combustibles se producen temperaturas de combustión especialmente altas, entre ellas, por ejemplo, una gran proporción de hidrógeno en el gas combustible, como se prevé en el futuro, puede aumentar la temperatura de combustión. La presente invención no se refiere sólo a sistemas grandes, sino también, por ejemplo, a dispositivos de pared para calentar agua y, en general, dispositivos calentadores para calentar edificios y/o suministrar agua caliente.
Un quemador usado típicamente para tales dispositivos hoy en día presenta un cuerpo de quemador que está unido a o en una pared de una cámara de combustión (generalmente en una puerta o trampilla de mantenimiento) y se adentra en la cámara de combustión. A menudo, pero no necesariamente, un cuerpo de quemador de este tipo está configurado rotosimétrico, en particular cilíndrico, con respecto a un eje longitudinal. Su superficie lateral delimita un espacio interior. La mezcla de aire y gas combustible se alimenta a una zona de entrada del interior del cuerpo del quemador y se sopla desde una zona de salida con muchas aberturas de salida hacia la cámara de combustión, donde se quema y libera el calor resultante a las superficies del intercambiador de calor. También se sabe que en el espacio interior del cuerpo del quemador, en particular en la zona de entrada, pueden estar dispuestos elementos que influyen en el flujo. Allí se pueden disponer, por ejemplo, álabes directores o elementos similares para generar espín y/o turbulencias (ver, por ejemplo, el documento WO 2016/182778 A1) o un mezclador estático, como por ejemplo una boquilla Venturi. El objetivo es lograr una distribución uniforme de la mezcla a través de las aberturas de salida y así garantizar una combustión con la menor cantidad de contaminantes posible. Sin embargo, es difícilmente posible influir de esta manera en la temperatura de combustión, ya que depende esencialmente del tipo de gas combustible y de la proporción de mezcla con el aire.
A partir del documento DE 10064259 A1 también se sabe cómo influir en la estabilidad de la llama en una cámara de combustión mediante la recirculación de los gases de combustión y en el documento WO2004/102071 A1 también se describe la reducción de la producción de NOX mediante la recirculación de gases de escape en un tipo de boquilla Venturi. Sin embargo, las disposiciones mencionadas requieren un espacio de instalación relativamente grande, que a menudo no está disponible.
A partir del documento EP 0 970 327 A1 y del EP 0 867 659 A1 se trata de quemadores de gas en los que está dispuesto un tubo de llama sobre un disco de retención, formando el disco de retención con un inserto de membrana aberturas y chapas deflectoras a través de las cuales puede entrar aire o una mezcla de gas y aire en el tubo de llama. Durante el funcionamiento se puede crear una depresión detrás del disco de retención, con lo que se pueden aspirar gases de escape a través de ranuras de recirculación y aberturas formadas sobre o dentro del tubo de llama, para evitar que se llene de hollín el disco de retención o calentar allí la llama. Por el contrario, en los dispositivos calentadores mencionados aquí la combustión del gas se realiza fuera del cuerpo del quemador, en la cámara de combustión, de modo que no se producen los problemas aquí abordados de hollín y calentamiento de la llama. Estos conceptos del estado de la técnica requieren además una situación de montaje coordinada hacia la pared de la cámara de combustión, de modo que se requiere un mayor gasto en equipamiento.
El objeto de la presente invención es resolver al menos parcialmente los problemas descritos con referencia al estado de la técnica y, en particular, reducir la generación de contaminantes, en particular NOX, realizando cambios en el quemador, sin componentes adicionales u otros cambios significativos en sistemas existentes o nuevos. En particular, se debe reducir la temperatura de combustión, lo cual es especialmente importante para los futuros combustibles que contengan hidrógeno o hidrógeno puro.
Para lograr este objeto se utiliza un calentador de acuerdo con la reivindicación 1. En las reivindicaciones dependientes se indican configuraciones ventajosas y perfeccionamientos de la invención. La descripción, especialmente en relación con los dibujos, ilustra la invención y proporciona otros ejemplos de realización.
El dispositivo calentador aquí propuesto con una cámara de combustión y un sistema de quemador compuesto por un quemador de mezcla previa presenta un cuerpo de quemador al que se puede alimentar una mezcla de aire y gas combustible, que está fijado a o en una pared de una cámara de combustión y que se adentra en éste y presenta aberturas de salida en la cámara de combustión para la salida de la mezcla. El cuerpo del quemador tiene un espacio interior con una zona de entrada y una zona de salida, presentando el espacio interior en la zona de entrada al menos un elemento para generar espines o turbulencias, de modo que cuando la mezcla fluye a través de la zona de entrada se crea una presión interna más baja que en la zona de salida y que en la cámara de combustión, y en donde hay aberturas de conexión a la cámara de combustión en la zona de entrada.
La zona en la que se encuentra un elemento para tal influencia del flujo se incluye aquí y a continuación como parte de la zona de entrada.
Como se sabe por la mecánica de fluidos (y se utiliza, por ejemplo, en bombas de chorro de succión), la presión estática en un sistema con flujo está inversamente relacionada con la velocidad del flujo, que a su vez depende de la sección transversal del flujo, mientras que el flujo volumétrico sigue siendo el mismo, por lo que se consigue una mayor presión estática en zonas con flujo lento. Hay más presión que en zonas con flujo más rápido. La presente invención hace uso de esto para aspirar gases de combustión de la cámara de combustión al espacio interior del cuerpo del quemador durante el funcionamiento del quemador y agregarlos allí a la mezcla. Esto conduce por diversas razones a una temperatura de combustión más baja y, por tanto, a una menor producción de contaminantes, especialmente NOX.
Los estudios han demostrado que, por ejemplo, un generador de espín o un elemento similar en la zona de entrada de un cuerpo de quemador, a pesar de su corta longitud total, produce una presión significativamente menor en la zona de entrada, especialmente en la zona del generador de turbulencia, que en la zona de salida. Esto llega hasta el punto de que la presión es incluso menor que en la cámara de combustión, donde a su vez la presión debe ser menor que en la zona de salida del cuerpo del quemador, para que la mezcla pueda salir por las aberturas de salida a la cámara de combustión. Estas condiciones permiten aspirar los gases de combustión desde la cámara de combustión a través de las aberturas de conexión de acuerdo con la invención a la cámara de entrada, donde se mezclan con la mezcla de aire y gas combustible introducidos allí (o al menos en el elemento siguiente), de modo que a las aberturas de salida llegue una mezcla de aire, gas combustible y gases de combustión recirculados. Dado que los gases de combustión contienen poco oxígeno y por tanto pueden considerarse casi inertes, esto reduce la temperatura de combustión y reduce la formación de contaminantes, aunque después de un cierto enfriamiento mediante intercambio de calor durante la recirculación los gases de combustión todavía tienen una temperatura más alta que el resto de la mezcla. Un elemento para generar espines o turbulencias es suficiente para generar una diferencia de presión suficiente. La zona de entrada en dirección axial es muy corta, concretamente de 3 mm a 20 mm [milímetros], preferiblemente de 5 mm a 10 mm, estando incluida también en la zona de entrada la zona que ocupa el elemento para influir en el flujo.
En una forma de realización particular, la zona de entrada tiene una sección transversal de flujo más pequeña que la zona de salida. Esto conduce a un flujo más rápido con el mismo caudal que en la zona de salida con una sección transversal mayor y, con ello, a una diferencia de presión que puede aprovecharse para la recirculación de los gases de escape. Dado que la presión en la cámara de combustión, al menos en la mayoría de los dispositivos calentadores, es cercana a la presión atmosférica (1 bar), para la recirculación de los gases de escape son suficientes pequeñas constricciones en la sección transversal de la zona de entrada, en particular constricciones del 5 al 30% [porciento] de menos superficie de sección transversal que la de la zona de salida. La proporción de gases de combustión recirculados depende del tamaño de la restricción (y/o del diseño de los elementos para influir en el flujo) y de la zona transversal total efectiva de las aberturas de conexión. Esto puede ser entre 2 % y 20 % [porcentaje en volumen] de la mezcla que sale por las aberturas de salida, preferiblemente entre 5 % y 10 %.
La zona de entrada constituye preferiblemente de manera aproximada del 2 al 20 %, en particular del 5 al 10 %, de la longitud axial del espacio interior y presenta una superficie lateral formada predominantemente por aberturas de conexión. Puesto que sólo se puede aprovechar una pequeña diferencia de presión entre la cámara de combustión y la zona de entrada, es importante que las aberturas de conexión presenten una sección transversal efectiva suficientemente grande para aspirar una cantidad de gases de escape que influya suficientemente en la temperatura de combustión. Esto no sólo depende del número de aberturas de conexión y de sus secciones transversales individuales, sino también de su forma. Por lo tanto, el objetivo es prever tantas y/o mayores aberturas de conexión como sea posible, siempre que el tamaño de la zona de entrada lo permita y no se vea perjudicada la estabilidad del cuerpo del quemador.
De manera especialmente preferida, las aberturas de conexión forman una especie de ranura anular (al menos una o, en caso necesario, varias), que está interrumpida por nervios de sujeción que soportan el resto del cuerpo del quemador. Una ranura anular de este tipo puede presentar una anchura axial de 0,5 mm a 5 mm, en particular de 1 mm a 3 mm.
Cabe mencionar que, durante el arranque, un quemador de este tipo puede aspirar aire adicional de la cámara de combustión (que entonces puede que aún no contenga gases de combustión), lo que significa que la mezcla destinada al encendido es más pobre que sin recirculación. Sin embargo, esto se puede compensar ajustando la mezcla de forma correspondientemente más rica durante el proceso de encendido u otras medidas con el mismo efecto para garantizar un encendido fiable.
A continuación se explicará con más detalle un ejemplo de realización esquemático de la invención, al que no se limita, y su modo de funcionamiento con referencia al dibujo. Representan:
la Fig. 1: un cuerpo de quemador con aberturas de conexión para la recirculación de gases de combustión en una vista en perspectiva y
la Fig. 2: una sección longitudinal axial central a través del cuerpo de quemador de la Fig. 1.
Las Fig. 1 y 2 muestran esquemáticamente una sección de una cámara de combustión 1 con una pared 2 en la que se encuentra una puerta 3 (o trampilla) en la que está fijada una disposición de quemador. Un quemador de premezcla 4, al que se puede alimentar con una mezcla de aire y combustible desde un sistema no representado, presenta un cuerpo de quemador 5 que se adentra en dirección axial en la cámara de combustión 1 (ver flecha). El cuerpo de quemador 5 presenta un espacio interior 6, que se compone de una zona de entrada 7 y una zona de salida 8. En la zona de salida 8 se encuentran numerosas aberturas de salida 9, a través de las cuales la mezcla puede fluir hacia la cámara de combustión 1, donde se quema para formar gases de combustión. En la zona de entrada 7 se encuentra un elemento 11 para influir en el flujo, en el presente ejemplo un generador de espines. Esto provoca que durante el funcionamiento se desarrolle una presión menor en la zona de entrada 7 que en la zona de salida 8 y también que en la cámara de combustión 1. Esto resulta de las velocidades de flujo en la zona de entrada 7, en particular en la zona del elemento 11 o en la zona de salida 8. Por lo tanto, a través de las aberturas de conexión 10 en una superficie lateral 12 de la zona de entrada 7, durante el funcionamiento se aspiran gases de combustión desde la cámara de combustión 1 a la zona de entrada 7 y se mezclan allí con la mezcla restante, que se soporta mediante un generador de espines o un elemento de turbulencia.
Puesto que en general sólo se puede aprovechar una pequeña diferencia de presión entre la zona de entrada 7 y la cámara de combustión 1, las aberturas de conexión 10 presentan preferiblemente en total una sección transversal lo más grande posible, para poder hacer circular tantos gases de combustión como sea posible. Dado que la zona de entrada 7 suele tener sólo unos pocos milímetros de longitud en dirección axial, no queda mucha superficie lateral 12 disponible, de modo que las aberturas de conexión 10 ocupan una gran parte de ella, aunque la estabilidad del cuerpo del quemador 5 debe mantenerse. Como abertura de conexión 10 es ventajosa una especie de ranura anular 13, que debido a la estabilidad del cuerpo del quemador está interrumpida por nervios de sujeción 14 (lo más estrechos y/o lo más pequeños posible). Dependiendo de la fijación del elemento 11 para influir en el flujo, esta ranura anular 13 puede encontrarse aproximadamente en la misma posición axial que el elemento 11. Puede estar configurada alrededor del cuerpo de quemador 5 con una anchura (en dirección axial) de 0,5 mm a 5 mm, preferiblemente de 1 mm a 3 mm, estando interrumpida por tres a diez nervios de sujeción 14, que tienen una anchura (en dirección circunferencial) de 1 mm a 10 mm. No representado, pero aplicable individualmente o junto con el sistema descrito, se muestra un estrechamiento de la sección transversal de la zona de entrada 7, que conduce a una presión (adicionalmente) reducida y posibilita o favorece la recirculación de gases de combustión descrita. Dependiendo de su proporción, la adición de gases de combustión a la mezcla de aire y gas combustible reduce la producción de contaminantes, especialmente NOX.
La presente invención permite una reducción de la temperatura de combustión y, por tanto, una reducción de las emisiones contaminantes en dispositivos calentadores, en particular aquellos que funcionan con hidrógeno o gases combustibles que contienen hidrógeno, mediante simples cambios de diseño en el quemador de un calentador.
Lista de símbolos de referencia
1 cámara de combustión
2 pared
3 puerta (trampilla)
4 quemador de premezcla
5 cuerpo de quemador
6 espacio interior
7 zona de entrada
8 zona de salida
9 aberturas de salida
10 aberturas de conexión
11 elemento para influir en el flujo
12 superficie lateral
ranura anular
nervios de sujeción

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo calentador con una cámara de combustión (1) y una disposición de quemador, que comprende un quemador de premezcla (4), que tiene un cuerpo de quemador (5) con una cámara interior (6), cuyo cuerpo de quemador está fijado a o en una pared (2 ) de la cámara de combustión (1) y se adentra en esta cámara de combustión (1), a la que se puede suministrar una mezcla de aire y gas combustible, y hacia la cámara de combustión (1) presenta una pluralidad de aberturas de salida (9) para la salida de la mezcla y para la combustión fuera del espacio interior (6) en la cámara de combustión (1), en donde el espacio interior (6) está compuesto por una zona de entrada (7) que comienza en la pared (2) de la cámara de combustión (1) en una zona de hasta 20 mm en dirección axial del cuerpo del quemador (5) y una zona de salida (8) con la pluralidad de aberturas de salida (9), en donde la zona de entrada (7) del espacio interior (6) presenta al menos un elemento (11) al menos para la generación de espines o turbulencias, de modo que cuando la mezcla fluye a través de él se produce una presión interna más baja en la zona de entrada (7) que en la zona de salida (8) y que en la cámara de combustión (1), y en donde en la zona de entrada (7) están previstas aberturas de conexión (10) con la cámara de combustión (1), a través de las cuales los gases de combustión se aspiran desde la cámara de combustión (1) y se mezclan en la zona de entrada (7) con la mezcla restante.
2. Dispositivo calentador según la reivindicación 1, en donde el espacio interior (6) presenta en la zona de entrada (7) una sección transversal de flujo más pequeña que en la zona de salida (8).
3. Dispositivo calentador según una de las reivindicaciones 1 o 2, en donde la zona de entrada (7) forma del 1 % al 20 % del espacio interior (6) y presenta una superficie lateral (12), que está formada predominantemente por las aberturas de conexión (10).
4. Dispositivo calentador según una de las reivindicaciones anteriores, en donde las aberturas de conexión (10) forman una especie de ranura anular (13), interrumpida por nervios de sujeción (14), cuya ranura anular presenta una anchura axial de 0,5 a 5 mm.
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