MXPA00012650A

MXPA00012650A - Ensamble de camisa de agua.

Info

Publication number: MXPA00012650A
Application number: MXPA00012650A
Authority: MX
Inventors: David William Manley
Original assignee: Souhtcorp Australia Pty Ltd
Priority date: 1998-06-15
Filing date: 1999-06-15
Publication date: 2002-04-10
Also published as: EP1095229A4; AUPP410598A0; US6470836B1; JP2002518658A; WO1999066267A1; EP1095229A1; CN1305576A; ID28075A; WO1999066267A9; KR20010071489A; CA2335016A1

Abstract

Un ensamble de camisa de agua para un calentador de agua de encendido instantaneo con gas, el ensamble incluye placas perfiladas presionadas hechas de cobre o acero revestido de cobre, una placa que es la imagen invertida de la otra, dichas placas estan colocadas en pares, los pares de las placas estan colocados en un conjunto paralelo para formar un intercambiador de calor, el intercambiador de calor esta delimitado por una camisa de agua que comprende paneles laterales y finales que se traslapan hechos de cobre o acero revestido de cobre unidos al conjunto de placas, el ensamble esta fusionado para definir una camara de combustion con gases quemados discretos y pasos de agua dentro de dicho ensamble.

Description

ENSAMBLE DE CAMISA DE AGUA CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a un intercambiador de calor o ensamble de camisa de agua, adecuado para emplearse con calentadores de agua, y en particular a calentadores de agua instantáneos alimentados por gas para proveer agua caliente según se requiera, y un método para fabricar el mismo.

TÉCNICA ANTERIOR Aproximadamente el 30% de los calentadores de agua que se fabrican en el mundo son del "tipo almacenamiento", principalmente un calentador de agua mediante el cual se calienta un tanque de agua por medio de calentadores alimentados por electricidad, gas o aceite. Este tipo de calentador de agua puede ser poco eficaz, voluminoso y constantemente sufre el escape de calor hacia los contornos. Un problema con los calentadores de almacenamiento de agua es la limitación de volumen de agua caliente que estos pueden proveer en cualquier momento. Aproximadamente el 70% de los calentadores de agua que se fabrican en el mundo son del "tipo instantáneo", donde el agua caliente se provee según se requiera a través de medios para calentar el agua de manera instantánea cuando fluye a través del calentador. Este tipo de calentador de agua ha dependido mucho de la presión con limitaciones del volumen de agua caliente que puede proveer en una base continua. Por lo común, también se derivan problemas a partir de las dificultades en la construcción y ensamble de íntercambiadores de calor y camisas de agua de larga duración y económicos, los cuales logran una pérdida de calor mínima hacia los contornos y máximas áreas de superficie de intercambio de calor fluido a gas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN De conformidad con un primer aspecto de la presente invención, se provee un ensamble de camisa de agua para un calentador de agua instantáneo alimentado por gas, el ensamble incluye placas perfiladas y presionadas hechas de cobre o de acero revestido de cobre, una placa es la imagen invertida de la otra, dichas placas están colocadas juntas en pares, los pares de placas están colocados en un conjunto paralelo para formar un intercambiador de calor, el intercambiador de calor, está delimitado por una camisa de agua que comprende paneles laterales y finales de cobre o acero revestido de cobre que se traslapan y están unidos al conjunto de placas, el ensamble está fusionado para definir una cámara de combustión con gases quemados discretos y pasos de agua dentro de dicho ensamble. Es preferible que las placas perfiladas del intercambiador de calor estén adaptadas para provocar un flujo turbulento de agua a través de los pasos de agua, y el flujo turbulento de gases quemados pasa al exterior; el exterior también provee vías de escape para el líquido condensado que en el uso se recoge en las superficies externas del intercambiador de calor. Es preferible que la camisa de agua tenga una entrada de agua fría y una salida de agua caliente, al menos un quemador de gas colocado dentro de la cámara de combustión mediante el cual fluye el agua fría a través del ensamble para salir como agua caliente. De preferencia, al menos ese quemador de gas está colocado sobre el intercambiador de calor y el calentador incluye un abanico que mezcla gas con aire y hace que la mezcla de gas/aire vaya al quemador y, como gases quemados, pasa al ¡ntercambiador de calor. De conformidad con otro aspecto de la presente invención se provee un método para elaborar un ensamble de camisa de agua que comprende: presionar placas de intercambiador de calor perfiladas, paneles laterales y paneles finales de cobre o de acero revestido de cobre; colocar dos placas juntas, siendo una la imagen invertida de la otra para formar un par de placas contiguas; colocar una pluralidad de pares de placas de intercambiador de calor para formar un emparedado; unir los paneles laterales al emparedado y colocar las placas finales en cada esquina, de manera que los paneles laterales y finales se traslapan; sostener el ensamble con un portapieza; y colocar el ensamble en un horno durante un tiempo predeterminado para fusionar la superficies de cobre a fin de proveer un ensamble integral que tiene una cámara de combustión y pasos para gases quemados discretos y agua dentro de dicho ensamble.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS A continuación se describirá una modalidad que incorpora todos los aspectos de la invención sólo a manera de ejemplo con referencia a los dibujos anexos, en donde: La figura 1 es una vista en elevación delantera de un calentador de agua, La figura 2 es una vista en elevación lateral del calentador, La figura 3 es una vista en elevación lateral opuesta del calentador, La figura 4 es una vista en perspectiva esquemática de componentes para un ensamble de camisa de agua, La figura 5 es una vista en elevación lateral del ensamble de camisa de agua, La figura 6 es una vista en elevación del ensamble de camisa de agua, La figura 7 es una vista en plano del ensamble de camisa de agua, La figura 8 es una serie de vistas que ilustran un método de ensamble y trayectoria de flujo de un intercambiador de calor que forma parta del ensamble de camisa de agua, y La figura 9 es una vista esquemática de una válvula de control de flujo que forma parte del calentador de agua.

DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS El calentador de agua doméstico que se ilustra en los dibujos anexos se suministra con gas y funciona para proveer un flujo instantáneo de agua caliente, así que no hay necesidad de un tanque para almacenar una cantidad de agua caliente. Como se ¡lustra en las figuras 1 a 3, el calentador de agua 10 se encuentra en un alojamiento rectangular 11 que está diseñado para quedar nivelado contra una pared externa. El calentador necesita estar acoplado a un suministro de gas, y se entiende que el calentador puede estar adaptado para funcionar con una variedad de gases disponibles en el mercado. Los gases de escape son ventilados a la atmósfera a través de una pequeña abertura 12 al frente 13 del calentador. Como alternativa, el calentador puede instalarse internamente con gases de escape que se ventilan a la atmósfera a través de un pequeño conducto de humos que se extiende a través de la cavidad de la pared o a través del techo. En resumen, el calentador de agua 10 incluye una serie de quemadores de gas 20 colocada por encima de un ensamble de camisa de agua 50, de manera que el calor proveniente de los quemadores de gas 20 pasa a través de un intercambiador de calor 51 que forma parte del ensamble de camisa de agua 50 para calentar un suministro de agua fría que está colocado para fluir a través del intercambiador de calor para salir del ¡ntercambiador de calor como agua caliente. Un mecanismo de control se encarga de la cantidad de gas que se calcina en los quemadores 20, dependiendo del flujo de agua y la temperatura requerida, es decir según las necesidades. La capacidad de calcinación de los quemadores de gas se mejora mediante la inclusión de un abanico 30 que mezcla gas con aire ante los quemadores 20 para asegurar el uso de la más eficiente mezcla de combustible con aire. El abanico 30 también hace que el aire caliente generado por los quemadores 20 descienda en dirección vertical a través del intercambiador de calor 51. Los intercambiadores de calor de este tipo producen condensación cuyas gotas descienden a una charola de recolección 71 montada en la base del alojamiento 11 para la descarga 72 en el sistema de alcantarillado o drenaje de aguas pluviales. Se entiende que la plomería adecuada se emplearía para facilitar esta descarga. La serie de quemadores 20 está colocada a través de la parte superior del calentador 10, y son alimentados por una mezcla de gas y aire a través de una cámara de mezclado 31 que, a su vez, se alimenta desde una válvula de gas moduladora 32 y un abanico controlado eléctricamente 30 que mezcla el gas en el aire antes de la alimentación de la mezcla de gas al quemador. Los quemadores 20 están en la forma de una placa de cerámica 35 que tiene una serie de aberturas pequeñas (no ilustradas) que se extienden a través de la misma. Las aberturas proveen un número muy grande de flamas pequeñas que se proyectan hacia abajo en dirección del ensamble de la camisa de agua 50. Las flamas están colocadas para terminar en una posición que está justo por encima de la posición del intercambiador de calor 51 que está colocado en la mitad inferior del ensamble de la camisa de agua.

Como se ilustra en las figuras 1 a 3, la entrada de agua fría 14 se extiende en la base de la camisa de agua en el lado izquierdo de la unidad como se aprecia en la figura 2 con el agua caliente saliendo del ensamble de camisa de agua 50 desde el lado derecho de la unidad hacia la parte superior del intercambiador de calor 51 en la salida de agua caliente 15. No obstante esta colocación, se entiende que la dirección del flujo puede invertirse. Un medidor de flujo de agua 90 monitorea el flujo de agua en la entrada de agua fría 14. Un primer sensor de temperatura T1 está colocado en la entrada de agua fría y un segundo sensor de temperatura T2 está colocado en la salida de agua caliente 15 del intercambiador de calor 51. Un tercer sensor de temperatura T3 está colocado en una válvula de control de flujo de agua 60 que está acoplada a la entrada de agua fría 15 y la salida de agua caliente 16. El suministro de gas fluye desde la base de la unidad a lo largo de un lado a través de la válvula de gas moduladora 32 hacia el abanico 30, como se ilustra en las figuras 1 a 3. La salida de agua caliente 16 de la válvula de agua 60 tiene una primera salida 17 que está diseñada para proveer agua a una temperatura de hasta 80°C y una segunda salida de temperatura inferior 18 que distribuye agua hasta una temperatura de 50°C a través de un sensor de flujo 19. De esta manera, es importante que los calentadores de agua de este tipo tengan controles de seguridad para evitar la escaldadura. Cuando el flujo se detecta en la salida 18, el sistema de control electrónico limita automáticamente la temperatura disponible máxima a 50°C. Los gases de combustión al pasar a través del intercambiador de calor 51 salen de la unidad en la base del intercambiador de calor a través de la salida rectangular 12 en la superficie delantera 13 del calentador. Estos gases están a una temperatura que es menor a la temperatura del agua caliente, para la parte principal de la operación del calentador de agua, así que la pérdida del calor para los contornos se conserva al mínimo. Un controlador electrónico 80 está montado cerca de la parte superior del calentador, como se ilustra en la figura 1 para controlar la operación del calentador 10. Para operar, el calentador tiene que acoplarse a una fuente de gas, una fuente de agua fría y una fuente de electricidad. El ensamble de camisa de agua 50, de conformidad con las modalidades preferidas de algunos aspectos de la presente invención, se ¡lustra con detalle respecto a fas figuras 4 a 8, y en esencia comprende una camisa de agua 52 que soporta un intercambiador de calor colocado en el interior 51 que está en forma de números variados de pares de placas rectangulares 53, 54, dependiendo de las necesidades de intercambio de calor. Cada _par está colocado en contacto contiguo para definir una trayectoria de agua de tipo sinuoso entre los mismos. Como se ¡lustra en la figura 8, las placas están montadas como un emparedado S con cada par colocado en posición paralela y separado del par adyacente. Los espacios 55 entre los pares permiten el_paso de aire caliente desde los quemadores de gas y las placas están interconectadas de manera que el agua fluye a través de un paso de tipo sinuoso a lo largo de cada placa y a través de las placas adyacentes como se ¡lustra en la figura 8. El agua fría entra en un lado 56 del emparedado rectangular S y sale como agua caliente en la salida 57 en el mismo lado del emparedado S. De esta manera, la salida de agua caliente 57 está cerca de los gases de combustión calientes, mientras que la entrada de agua fría 56 está en posición adyacente a la base de la unidad que está cerca de los gases calientes del conducto de humos. Este diseño de intercambiador de calor garantiza que hay una distribución de calor homogénea lateralmente del intercambiador de calor con una distribución de temperatura que cada vez es más elevada hacia arriba desde la base hasta la parte superior. La distribución de temperatura lateral uniforme garantiza la uniformidad de transferencia de calor y prolonga la vida del intercambiador de calor. El ensamble de camisa de agua 50 en esencia comprende tres placas de metal, principalmente una placa lateral 100 que está invertida para encerrar los lados opuestos del ensamble y una placa final 101 que está invertida dos veces para producir cuatro placas 101a, b, c, d, que, como aparece en la figura 4 envuelven y traslapan los extremos para definir la camisa de agua 55. La tercera placa define las placas rectangulares 53, 54, que cuando están montadas en pares separados definen los emparedados que constituyen el intercambiador de calor 51. Como se ilustra en las figuras 5 a 7, los emparedados de las placas del intercambiador de calor están ubicados hacia la base de la unidad, y la camisa de agua tiene pasos de fluido a lo largo de la mitad superior del ensamble y hacia los extremos. El espacio definido entre la camisa de agua y la parte superior del intercambiador de calor 51 es una cámara de combustión. La camisa de agua está colocada en el exterior del intercambiador de calor 51 , y las flamas de gas de los quemadores salen a lo largo de la línea central del ensamble 50 dentro de la cámara de combustión. Esta característica tiene el efecto de retirar el calor de las flamas de gas para reducir el escape lateral de calor y también para reducir la temperatura de los gases calientes en el intercambiador de calor 51. Como se muestra en la figura 5, el agua fría entra al ensamble 50 desde un lado en la base y sale del ensamble en el lado opuesto hacia la parte superior del intercambiador de calor 51. Al principio, el agua se mueve en dos direcciones al rededor de los lados y extremos de la camisa de agua 55, de manera que el agua fluye a través de toda la camisa de agua antes de pasar a través del intercambiador de calor. Esto reduce la probabilidad de que el intercambiador de calor 51 se sobrecaliente y reduce el desperdicio de gases calientes. Con la fabricación del ensamble a partir de tres placas que sólo están invertidas, todo el ensamble puede producirse a partir de una simple operación de troquelado. Además, en la modalidad preferida, el ensamble se elabora a partir de placas de acero inoxidables revestidas con cobre y los componentes se ensamblan mediante el uso de un portapieza (no ilustrado), de manera que el conjunto de componentes está en contacto contiguo con todas las superficies contiguas de cobre a cobre. Cuando el ensamble se coloca en un horno durante un período predeterminado a una temperatura para fusionar el cobre para proveer una unidad integral en la que los componentes están unidos y los pasos de agua y aire están definidos con exactitud sin fugas. Por lo tanto, no hay necesidad de soldadura eléctrica o con cautín u otro tipo de sujetadores, y esta fusión del revestimiento de cobre garantiza la operación satisfactoria durante un largo tiempo. El diseño de un paso de tipo sinuoso para el flujo de agua también está diseñado específicamente para fomentar el flujo turbulento, garantizando que no hay cavidades de agua estancada o manchas calientes en la unidad. Además, la forma externa de las placas provee una ruta conveniente para desaguar el líquido condensado que se forma en el exterior del ensamble. El ensamble de camisa de agua 50 ha demostrado una eficiencia extrema y permite la transferencia máxima de calor desde las flamas de gas hasta el agua sin perder calor excesivo en el escape. Un sensor de presión de gas 84 está colocado en la entrada de gas de la válvula de gas moduladora 32 para detectar una caída en la presión de gas para reducir la salida de la unidad, si hay una escasez de presión de gas. Las presiones de gas doméstico convencionales operan a un máximo de 200 megajulios por hora y están limitadas por la presión de gas, de manera que si se emplean demasiados electrodomésticos al mismo tiempo, a menudo hay una caída en la presión de gas. Para garantizar que una caída en la presión de gas no reduzca la temperatura del agua caliente, el detector de presión de gas 84 hace que la velocidad del flujo de agua sea reducida para compensar una reducción en la presión de gas, de manera que la unidad opera a la temperatura deseada, aunque a una salida reducida en términos de litros por minuto. Otra característica del controlador y válvula de gas es el uso de un sensor de oxígeno que detecta la cantidad de oxígeno en los gases del conducto de humos. Si el contenido de oxígeno del gas del conducto de humos es muy alto o muy bajo, una señal regresa al controlador 80 para cambiar el flujo de gas para garantizar una mezcla óptima. El controlador computarizado 80 monitorea tres temperaturas, principalmente la T1 que es la temperatura en la entrada de agua fría, T2 la temperatura en la salida del intercambiador de calor, y T3 que es la temperatura del agua caliente de salida de la unidad. El tercer monitor de temperatura T3 incluye un cuadrante ajustable mediante el cual, el usuario puede ajustar la temperatura de salida deseada. El controlador 80 al detectar las tres temperaturas entonces puede controlar la velocidad de flujo de agua a través de la unidad y también la entrada de gas a través de la válvula de gas modulada 32 y la entrada de aire variando la velocidad del abanico. El controlador 80 varía los parámetros para garantizar una eficiencia máxima. El calentador está diseñado para producir 32 litros por minuto de agua a 25°C por encima de la temperatura inicial. Una regadera convencional emplea de 7 a 11 litros por minuto, lo que significa que el calentador puede operar para rendir de tres a cuatro duchas de inmediato sin perder la temperatura o reducir el flujo de agua. El medidor de flujo 90 colocado en la entrada de agua fría 14 comprende una cubierta sustancialmente cilindrico que incluye un deflector que desvía el flujo de agua y un impulsor. El impulsor está montado en una barra y está construido de materiales plásticos impregnados con un material magnético. Para reducir la corrosión del impulsor, se coloca un revestimiento epóxico en el exterior del impulsor. El campo magnético que se origina por rotación del impulsor garantiza que se produce una señal eléctrica en respuesta a la velocidad de rotación del impulsor. La velocidad de rotación, a su vez, depende de la velocidad de flujo de agua bombeada a través del medidor. La señal eléctrica que se produce mediante el medidor de flujo 90 entonces se envía al controlador 80 para controlar la operación del calentador de agua según las necesidades. También se entiende que con este medidor 90, puede desplegarse una indicación visual de la velocidad de flujo a través del medidor en la unidad y/o en controles remotos. La señal eléctrica que se produce mediante el medidor de flujo 90 entonces se envía al controlador 80 para controlar la operación del calentador de agua según las necesidades. La válvula de control de flujo 60, como se ilustra en el figura 9 comprende una cámara de válvula 61 , subcámaras 61a y 61b separadas por un pistón o un diafragma flexible 62 que está acoplado en un lado 61b a un elemento de constricción de flujo 63 que está colocado sobre un asiento de válvula 64 en la salida 65 de la válvula. Las subcámaras 61a y 61 b están acopladas a la entrada 14 y la salida 15 del intercambiador de calor 51. La subcámara 61a también está acoplada a la entrada de agua fría 14 a través de una primera válvula de cierre solenoide 67. La subcámara 61a también está acoplada a la salida 65 a través de un corte del conducto de derivación 69 mediante una segunda válvula solenoide 68. Existe una caída de presión en el intercambiador de calor que significa que P1 en la entrada es mayor a P2 en la salida que, a su vez, es mayor a la presión de salida P3. En la operación de la válvula de control de flujo, las válvulas solenoides, en general, están cerradas; sin embargo, si hay demasiada demanda de agua caliente y una necesidad de reducir el flujo, la primera válvula de cierre solenoide 67 se abre, mientras la segunda válvula solenoide 68 permanece cerrada, lo cual tiene el efecto de provocar una presión mayor P1 en la subcámara 61a que fuerza el diafragma y la válvula 63 para cerrar parcialmente contra el asiento 64 para reducir el flujo de salida. Si se requiere un aumento en el flujo, la primera válvula solenoide 67 se cierra y la segunda válvula solenoide 68 se abre, lo cual tiene el efecto de reducir la diferencia de presión en el diafragma, lo que provoca que éste regrese lentamente para abrir la válvula 63 y así aumentar el flujo de salida. En una situación en donde el intercambiador de calor 51 tiene un exceso en la cantidad de agua caliente y existe el riesgo de que el agua caliente supere la temperatura máxima, las válvulas solenoides 67 y 68 se abren, lo cual tiene el efecto de provocar una proporción de agua fría para fluir desde la entrada 14 pasando el diafragma en la salida mediante la segunda válvula solenoide 68 y el conducto 69. A su vez, esto hace descender la temperatura del agua de salida para garantizar que está dentro de los parámetros deseados. Para encender el calentador, se utiliza una superficie de calentamiento al rojo eléctricamente operada en la cámara de combustión, y el control asegura que al abrir el grifo para provocar el flujo de agua, primero hay una pausa para purgar los gases combustibles dentro de la cámara de combustión. Entonces, existe una pausa breve durante la cual el encendedor de la superficie de calentamiento al rojo comienza a emitir destellos o chispas, la ignición se activa, y luego una mezcla de gas y aire entra a la cámara de combustión. Si no hay combustión, el calentador de agua cierra el flujo de gas y todo el procedimiento se repite. Si esto falla en dos ocasiones, entonces la unidad se cierra y se enciende una luz de advertencia que alerta al usuario del sistema que se requiere una llamada de servicio.

Dado que un experto en la técnica puede efectuar con sencillez una modificación dentro del espíritu y alcance de la invención, queda entendido que la presente no está limitada a la modalidad particular descrita a manera de ejemplo con anterioridad.

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un ensamble de camisa de agua para un calentador de agua instantáneo alimentado por gas, el ensamble incluye placas perfiladas y presionadas hechas de cobre o acero revestido de cobre, una placa es la imagen invertida de la otra, dichas placas están colocadas en pares, los pares de placas están colocados en un conjunto paralelo para formar un intercambiador de calor, el intercambiador de calor está delimitado por una camisa de agua que comprende un lado de traslapo y paneles finales de cobre o de acero revestido de cobre unidos al conjunto de placas, el ensamble está fusionado para definir una cámara de combustión con gases quemados discretos y pasos de agua dentro de dicho ensamble.

2.- El ensamble de camisa de agua de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque las placas perfiladas del intercambiador de calor están adaptadas para provocar el flujo turbulento de agua a través de los pasos de agua, y el flujo turbulento de gases quemados pasa al exterior, el exterior también provee vías de escape para el líquido condensado que en el uso se recoge en las superficies externas de intercambiador de calor.

3.- Un calentador de agua instantáneo alimentado por gas que incluye un ensamble de camisa de agua de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado además porque la camisa de agua tiene una entrada de agua fría y una salida de agua caliente, al menos un quemador de gas colocado dentro de la cámara de combustión, por lo que el agua fría fluye a través del ensamble para salir como agua caliente.

4.- El calentador de agua de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque al menos un quemador de gas está colocado por encima del intercambiador de calor y el calentador incluye un abanico que mezcla gas con aire y hace que la mezcla de gas/aire vaya al quemador y, como gases quemados pasan al intercambiador de calor.

5.- Un método para fabricar un ensamble de camisa de agua que comprende presionar placas de intercambiador perfiladas, paneles laterales y paneles finales de cobre o acero revestido de cobre, colocar dos placas juntas, una que es la imagen invertida de la otra para formar un par de placas contiguas, colocar una pluralidad de pares de placas de intercambiador de calor juntas para formar un emparedado, unir los paneles laterales al emparedado y colocar las placas finales en cada esquina, de manera que se traslapen los paneles laterales y final, sostener el ensamble con un portapieza, y colocar el ensamble en un horno durante un tiempo predeterminado para fusionar las superficies de cobre para proveer un ensamble integral que tiene una cámara de combustión y gases quemados discretos y pasos de agua dentro de dicho ensamble.