TERMOPERMUTADOR REGENERATIVO Y MÉTODO PARA CALENTAR UN GAS CON EL MISMO
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 1. Campo de la Invención La invención se refiere a un termopermutador regenerativo y a un método para calentar un gas en el termopermutador regenerativo. La invención tiene particular aplicabilidad para la alimentación de una corriente de aire caliente a un alto horno en la industria de elaboración de hierro 2. Descripción de la Técnica Relacionada Los termopermutadores regenerativos operan al pasar una corriente de un gas relativamente caliente a través de una masa de intercambio térmico durante un periodo (fase gaseosa) para almacenar calor en la masa. Una corriente de un gas relativamente frío se pasa subsecuentemente en la dirección inversa a través de la masa durante un segundo periodo (fase de chorro de aire) para recapturar este calor almacenado. Con termopermutadores de este tipo, es habitual tener la fase gaseosa y la fase de chorro de aire repetidas de manera alternativa y proporcionar al menos dos masas de intercambio térmico. De esta manera, aunque el calor se esta almacenando en una de las masas, el calor puede recuperarse de la otra masa. Las estufas de calentamiento revestidas de ladrillos refractarios utilizadas en la industria de elaboración de hierro para alimentar los altos hornos con corriente de aire caliente es uno de tales ejemplos de un termopermutador regenerativo . En algunas industrias, tales termopermutadores regenerativos se refieren como estufas de calentamiento. Dependiendo de la industria particular, pueden preferirse múltiples configuraciones de termopermutadores. Para aplicaciones en las cuales se utilizan más de dos termopermutadores de este tipo, pueden implementarse sistemas de varias fases. Ciertos de estos sistemas han sido ampliamente implementados en la industria con el desarrollo que ha tenido lugar durante un largo periodo de tiempo. Uno de tales ejemplos es la estufa de calentar revestida de ladrillos refractarios utilizada en la industria de elaboración de hierro para alimentar altos hornos con corriente de aire caliente. Los problemas asociados con el regenerador revestido de ladrillos refractarios son principalmente inherentes al diseño del regenerador por si mismo. Por ejemplo, estas unidades son típicamente muy altas y no compactas. Como resultado de este gran tamaño, el costo de las unidades es muy alto. El gran tamaño del regenerador convencional también puede conducir a perdidas significativas en la disponibilidad del sistema. En particular, cuando la presión de operación del termopermutador durante la fase gaseosa es más baja que durante la fase de chorro de aire, debe insertarse un periodo de presurización después de la fase gaseosa y antes de la fase de chorro de aire y agregar un periodo de despresurización después de la fase de chorro de aire y antes de la fase gaseosa. Durante la fase de despresurización, una cantidad de corriente de aire caliente proporcional al volumen de la unidad se libera hacia la atmósfera. Esto incrementa la pérdida de calor del regenerador por la cantidad de calor Q, de acuerdo a la siguiente ecuación: Q={C sub P (T sub {choro de aire} - T sub {Ref}) en donde: (P sub {chorro de aire} - P sub {Gas}) V sub Q es la pérdida de calor
{Estufa}} sobre durante la fase de inversión (J) RT sub {chorro de aire} Cp es la capacidad térmica molecular (J. mol"1.K"1) TRef es la temperatura de referencia (K) Tchorro es la temperatura del chorro de aire (K) Pcho o es la presión de operación durante la fase gaseosa (Pa) PGas es la presión de operación durante la fase gaseosa (Pa) Vestía es el volumen interno libre de la unidad regeneradora (m3) y R es la constante ideal de gas (8.314) Los periodos para tales fases, las fases de inversión designadas, son más largas con los volúmenes incrementados del aparato. La disponibilidad del sistema, disminuye así como resultado del gran tamaño de los sistemas convencionales Además para la disponibilidad de sistemas reducidos durante las fases de inversión, resultan pérdidas adicionales de disponibilidad durante la puesta en marcha y detención del sistema. Los ladrillos refractarios o termorecuperadores , que revisten al regenerador se constituyen típicamente de una manpostería resistente al calor que se somete a choque térmico bajo variación de alta temperatura a través del tiempo. Este diseño particular requiere una puesta en marcha y detención muy cuidadosa y lenta. El tiempo necesario para iniciar un nuevo regenerador i.e., llevar la temperatura del revestimiento refractario a la temperatura de operación, puede ser tan largo como un mes. Este periodo de tiempo se requiere a fin de secar de manera segura la manipostería refractaria y recalentarla. Debe aplicarse la misma precaución para apagar el regenerador. Para evitar el deterioro de los ladrillos refractarios del regenerador, la tasa de enfriamiento aplicada debe permanecer dentro de un rango dado dependiendo de la naturaleza del refractario. Estos factores pueden afectar significativamente la disponibilidad del sistema. En procesos continuos, se operan cíclicamente dos o m s termopermutadores regeneradores. La combinación de los periodos de inversión requeridos y la limitación en las tasas de calentamiento y enfriamiento para los termorecuperadores refractarios lo hace irreal, si no imposible, de utilizar tiempos de ciclos cortos (e.g., una fase gaseosa de dos horas o menos y una fase de chorro de aire de una hora o menos) . Aunque el equipo moderno permite disminuir los tiempos de ciclo, las limitaciones prácticas evitan la anulación de las pérdidas de inversión. Para superar algunas de las desventajas de las estufas de calentamiento revestidas de refractario convencional, se han propuesto termopermutadores regenerativos de diferentes geometrías. Un nuevo diseño a atraído la atención particular. Tales termopermutadores regenerativos son típicamente de estructura cilindrica e incluyen una masa de acumulación de calor que consiste de un material de masa sin cohesión instalado en un espacio y mantenido en su lugar entre dos paredes concéntricas (i.e., una rejilla caliente interna y una rejilla fría externa) que son permeables a los gases. Los regeneradores de este tipo se describen, por ejemplo, en la Patente de E.U. No. 2,272,108, la Patente de E.U. No. 5,690,164 y la Patente de E.U. No. 5,577,553. En el termopermutado , una cámara caliente de recolección se encuentra circunscrita por la rejilla caliente interna para recolectar los gases calientes. Una cámara de recolección fría para recolectar los gases fríos se define típicamente por el espacio entre la rejilla fría externa y la pared externa del regenerador. La modalidad cuantitativa descrita en la Patente de E.U. No. 2,272,108 de Bradley, no puede operar en la práctica. La velocidad del gas seleccionada para pasar a través de la masa de acumulación de calor es demasiado pequeña mientras el tamaño de las partículas que componen el material de masa sin cohesión de la masa de acumulación de calor es demasiado grande. Esto da como resultado una pérdida de calor inadecuadamente pequeña del gas en el lecho del material. La presión del gas disminuye así con la altura en la cámara de recolección fría. Este efecto, conocido como el "tiro natural" es insignificante en la cámara caliente de recolección. La diferencia de presión causada por el tiro natural es un múltiplo de la caída de presión en el lecho del material. Consecuentemente, cuando se calienta el regenerador, los gases de calentamiento fluyen únicamente en la región superior a través del lecho de material . El contraflujo de los gases pudiera esperarse aún en la región inferior. Cuando se trabaja bajo chorro de aire caliente, i.e., durante el soplado frío, las condiciones se invierten. Es decir que solo la región inferior del lecho de material podría exponerse a los gases. Estos resultados conducen a la conclusión de que el regenerador descrito en este documento fallaría necesariamente. Los problemas adicionales asociados con el diseño del termopermutador y el tiro natural antes mencionado se refiere a las estructuras de la rejilla caliente y sus tendencia para acumular polvo. Como resultado de la acumulación de polvo, el flujo de gas a través de la rejilla se inhibe durante las fases de chorro de aire y de gas. Esto da como resultado un incremento en la caída de presión a través del ladrillo y el lecho de acumulación de calor. El problema principal con respecto al polvo que se carga de la corriente de gas es la obturación de las aberturas de los ladrillos en la rejilla, así como la adhesión de las partículas en el lecho de acumulación de calor. Se ha encontrado que las partículas en proximidad directa a las aberturas de la rejilla caliente tienden a cubrirse por una capa de polvo sinterizada dura. Esta capa de polvo actúa como un cemento, que une las partículas en las regiones cercanas a las aberturas de la rejilla caliente. Como resultado, disminuye la porosidad del lecho de acumulación de calor y la presión cae a través de los incrementos del lecho. Este fenómeno es particularmente perjudicial para la eficiencia de la transferencia térmica del termopermutador. Además, las altas temperaturas de operación y los ciclos térmicos experimentados por la rejilla caliente colocan demandas extremas sobre esa estructura. A este respecto, la sucesión de los ciclos de la fase de chorro de aire y la fase gaseosa someten a la rejilla caliente a repetidos ciclos de tensión. La tensión mecánica bajo la cual pueden operar los ladrillos y la rejilla caliente generalmente se limita por su punto débil. Tal punto débil típicamente ocurre cada vez que ocurre un cambio de estructura importante en el ladrillo. La unión entre las estructuras con frecuencia es una ubicación de desarrollo de fractura potencial . La Patente de E.U. No. 5,577,553, de Fassbinder describe una rejilla caliente hecha de ladrillos individuales compuestos de un material resistente al calor, tal como cerámica. Los ladrillos tienen una cavidad que se abre en una cámara anular que contiene el medio de almacenamiento de calor. La cavidad se llena con pellets que se consolidan mutuamente y se aseguran contra la separación del ladrillo mediante un adhesivo resistente al calor. Un orificio de agujero ciego, que inicia desde la pared del ladrillo adyacente a la cámara caliente de recolección encerrado por la rejilla caliente, se extiende hacia la cavidad llena con los pellets. Sin embargo, el ladillo descrito es desventajoso en que su estructura es complicada y se hace de numerosas piezas. El ladrillo se somete así a aumento de tensión y es posible a fractura, especialmente en la unión entre los pellets y entre los pellets y el ladrillo. El material adhesivo que pega los pellets juntos debe soportar mayor tensión. Además, la producción de tales ladrillos no es fácil e induce altos costos. Es un objetivo de la presente invención proporcionar un termopermutador regenerativo que evite o mejore notoriamente los problemas asociados con el estado de la técnica. Es un objetivo adicional de la invención proporcionar un método para calentar un gas con el sistema de intercambio térmico regenerativo. El termopermutador regenerativo y el método para calentar un gas de acuerdo con la invención permite acortar los tiempos de puesta en marcha y detención, acortar los tiempos de ciclo y disminuir las pérdida de calor durante los periodos de inversión en comparación a los sistemas convencionales. La invención da como resultado además costos más bajos para la unidad así como costos operacionales más bajos comparados a los regeneradores convencionales. La distribución mejorada de los gases que pasan a través del lecho de acumulación de calor es tal que la velocidad de flujo y otras características del gas dependen solo del radio del punto el cual se mide en el lecho y no en la altura del lecho o el ángulo de flujo. SUMARIO DE LA INVENCIÓN Se proporciona un termopermutador regenerativo que se caracteriza por una cámara separada en una pluralidad de espacios concéntricos anulares, que comprende: un primer espacio anular interno que define una cámara caliente de recolección; un segundo espacio anular externo concéntrico y alrededor del primer espacio que define una cámara de recolección fría; y un tercer espacio anular que define una zona de intercambio térmico concéntrica y entre los espacios primero y segundo. La zona de intercambio térmico contiene un material de transferencia de calor particulado. El tercer espacio se soporta sobre el interior mediante una rejilla caliente colocada concéntricamente y el diámetro externo del tercer espacio anular es menor de aproximadamente el doble del diámetro interno del tercer espacio anular. De acuerdo con un aspecto adicional de la invención, se proporciona un termopermutador regenerativo que se caracteriza por una cámara separada en una pluralidad de espacios concéntricos anulares, que incluyen: un primer espacio anular interno que define una cámara caliente de recolección; un segundo espacio anular externo concéntrico y alrededor del primer espacio que define una cámara de recolección fría; y un tercer espacio anular que define una zona de intercambio térmico concéntrica y entre los espacios primero y segundo. La zona de intercambio térmico contiene un material de transferencia de calor particulado, en donde el tercer espacio se soporta en el interior mediante una rejilla caliente colocada concéntricamente. Una cámara de combustión se encuentra al menos parcialmente colocada dentro de la cámara caliente de recolección. De acuerdo con aspectos adicionales de la invención, se proporcionan métodos para calentar un gas en los termopermutadores regenerativos inventivos. Los métodos incluyen pasar un gas caliente desde el primer espacio anular a través de la rejilla caliente y el tercer espacio anular, calentando mediante esto el material de transferencia de calor y pasando subsecuentemente un gas para calentarse desde el segundo espacio anular a través del tercer espacio anular y la rejilla caliente hacia el primer espacio anular, calentando mediante esto el gas a calentarse. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los objetivos y ventajas de la invención se volverán aparentes a partir de la siguiente descripción detallada de las modalidades preferidas del mismo en relación con los dibujos acompañantes, en los cuales numerales similares designan elementos similares y en los cuales: La Figura 1 ilustra en sección transversal un termopermutador regenerativo ej emplificativo de acuerdo con la invención; La Figura 2 es una gráfica que ilustra un perfil de temperatura de lecho en equilibrio; La Figura 3 ilustra en sección transversal un termopermutador regenerativo ej emplificativo de acuerdo con la invención; Las Figuras 4A y 4B ilustran en sección transversal un termopermutador regenerativo de acuerdo con la invención durante una fase gaseosa y una fase de chorro de aire, respectivamente; Las Figuras 5A-E ilustran varias vistas de un primer diseño de ladrillo ej emplificativo de acuerdo con la invención; Las Figuras 6A y 6B ilustran una cara externa del primer diseño de ladrillo ejemplificativo de acuerdo con la invención; Las Figuras 7A-E ilustran varias vistas de un segundo diseño de ladrillo ej emplificativo de acuerdo con la invención. La Figura 8 ilustra en sección transversal el segundo ladrillo ej emplificativo y el lecho de partículas de acuerdo con la invención durante la fase de chorro de aire; La Figura 9 ilustra en sección transversal el segundo ladrillo ej empli icativo y el lecho de partículas de acuerdo con la invención durante la fase gaseosa; y La Figura 10 es una gráfica de la temperatura versus la posición radial en el lecho de acumulación de calor . DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS DE LA INVENCIÓN El éxito de una masa de acumulación de calor como un medio de transferencia de calor en un termopermutador regenerativo puede lograrse si se evita el tiro natural antes mencionado. Así, el flujo de gas caliente en la fase gaseosa y la corriente de chorro de aire en la fase de chorro de aire deben distribuirse de manera uniforme en el lecho. En una unidad cilindricamente conformada, el gas caliente y el chorro de aire deben fluir radialmente y de manera uniforme a través de la altura del lecho para asegurar que la transferencia de calor en un radio dado es uniforme a través de toda la altura del lecho. La distancia entre la rejilla caliente y la rejilla fría (i.e. el grosor del lecho) así como el tamaño de partícula del material de lecho son los parámetros principales que influyen en la caída de presión en el lecho, que es de suma importancia cuando se considera el tiro natural La caída de presión del gas en el lecho se calcula por la integración de la ecuación Ergun junto con el grosor del lecho de acuerdo a la siguiente fórmula: {P} sobre {L} = 150 {(1-) sup 2} sobre {sup 3 {d sub {car}} sup en donde: 2} P es la caída de
• V + 1.75 ¦ {(1 -)} sobre {sup 3 - d sub presión del gas a través del lecho
{car}} ·· V sup 2 30 L es la longitud, o grosor, del lecho es la fracción vacía del lecho dcar es el diámetro característico (diámetro de una esfera que tiene la superficie de la superficie específica promedio del lecho) µ es la viscosidad dinámica del gas. V es la velocidad del gas en una sección vacía y es el peso volumétrico. A partir de esta ecuación, puede verse que el diámetro de partícula y el grosor del lecho son variables que influencian fuertemente la caída de presión. Minimizar o eliminar el tiro natural, es ventajoso por la diferencia 2 , que es la caída de presión del regenerador al final de la fase gaseosa (Pcaior) menos la caída de presión del regenerador al inicio de la fase gaseosa (Pfrio) para ser ampliamente comparado a gH. Cuantitativamente es ventajoso tratar de satisfacer la siguiente ecuación: 15 en donde 2p es como se define
{ sup {2p}} sobre { · g ¦ H} 20 arriba, es el peso volumétrico del gas a una temperatura de 20C en kg m3, g es la constante gravitacional en m.s"1 y H es la altura del regenerador en m.
Para lograr esta condición, los experimentos y cálculos han mostrado que el diámetro externo de la masa anular de acumulación de calor (igual al diámetro interno de la rejilla anular fría) es preferentemente menor que aproximadamente el doble de su diámetro interno (igual al diámetro externo de la rejilla anular caliente) para un diámetro de partícula del material de lecho que es menor de aproximadamente 20 mm. Típicamente, los regeneradores de acuerdo con la invención tienen un diámetro de desde aproximadamente 3 hasta 8 m y una altura de desde aproximadamente hasta 20 m, por ejemplo un diámetro de aproximadamente 4 metros y una altura de aproximadamente 5 metros. En contraste, los calentadores de aire convencionales de la misma energía requieren un tamaño significativamente mayor, por ejemplo, con un diámetro de aproximadamente 8 metros y una altura de aproximadamente 30 metros. La Figura 1 ilustra un termopermutador regenerativo ej emplificativo 100 de acuerdo con una primera modalidad de la invención. El termopermutador regenerativo 100 permite llevar a cabo un proceso que incluye recuperar el calor de la corriente de gas caliente durante una fase gaseosa y transferir el calor a un flujo de chorro de aire frío para calentarse durante una fase de chorro de aire. El termopermutador regenerativo 100 incluye una entrada de gas caliente 107 y una salida de gas de combustión 118 para el uso durante la fase gaseosa y una entrada de chorro de aire frío 118 y una salida de chorro de aire caliente 102 para el uso durante la fase de chorro de aire. La salida del gas de combustión y la entrada de chorro de aire frío 118 pueden ser aberturas separadas o compartir el mismo orificio común (como se muestra) en la cubierta del aparato. De manera similar, la entrada de gas caliente 107 y la salida de chorro de aire caliente 102 pueden ya sea ser aberturas separadas o compartir el mismo orificio común. En el caso de un orificio común para cualquiera o ambos de los pares de entrada/salida, puede instalarse un sistema de tubería y válvula después de la(s) abertura (s) comunes para los flujos individuales. Cada una de estas entradas y salidas puede proporcionarse con un sistema adecuado de válvulas, accionadores y otros dispositivos de control de flujo para controlar la velocidad de flujo y presión de las corrientes que pasan de un lado a otro. El control de flujo de varias corrientes puede realizarse automáticamente mediante el uso de un dispositivo y válvulas de control de flujo en combinación con un controlador adecuado, por ejemplo un controlador lógico programable (PLC) . El aparato preferentemente es de forma cilindrica y se divide en al menos tres espacios concéntricos anulares. El primer espacio anular (cámara de recolección externa o fría) 106, se localiza entre la cubierta externa 108 del aparato y una rejilla fría anular externa 110. El segundo espacio (cámara de recolección interna o caliente) 112 es el área del aparato dentro de una rejilla caliente interna 114. El segundo espacio anular se localiza generalmente en la región central de la unidad y es típicamente de forma cilindrica. El tercer espacio anular 116 define un área de lecho entre la rejilla fría 110 y la rejilla caliente 114. El lecho puede estar en un solo espacio como se muestra o puede dividirse en una pluralidad de compartimentos al intermediar rejillas anulares (no mostradas). El lecho contiene una masa de acumulación de calor 117 que actúa como el medio de transferencia de calor. Esta masa de acumulación 117 se compone de un material de masa sin cohesión en forma de partículas que se empacan en el tercer espacio anular 116 del lecho. Dependiendo del requerimiento de la aplicación, este material en masa puede ser de forma esférica, oval o aún irregular. Ventajosamente, el tamaño de partícula del material en masa sin cohesión se selecciona pa ser de al menos 20 mm. El material se selecciona para soportar variaciones de alta temperatura durante periodos cortos. El diámetro pequeño del material en masa es benéfico para su resistencia al choque térmico. Los tipos adecuados de partículas de acumulación de calor incluyen, por ejemplo, pellets/bolas de alúmina, pellets/bolas de MgO, grava o lava para el servicio inferior. El gas caliente que actúa como la fuente de calor durante la fase gaseosa puede venir de los productos de combustión caliente de un gas combustible, por ejemplo, como se muestra en la Figura 1. Esta combustión puede tener lugar, por ejemplo, en una cámara de combustión 126 diseñada para quemar cantidades adecuadas de materia combustible a fin de proporcionar el proceso con suficiente calor. Un quemador 128 se opera únicamente durante la fase gaseosa para producir el calor requerido por el proceso. Esta materia combustible puede ser, pero no se limita a, gas natural, propano, butano, metano, gas de horno de chorro de aire, gas de descarga del convertidor, gas de horno de coque, otro gas combustible, aceite combustible, hulla o combinaciones de estos. El gas oxidizante se suministra al quemador 128 a través de la entrada de gas oxidizante 130 y puede ser, por ejemplo, aire, oxígeno industrialmente puro o impuro, aire enriquecido con oxígeno o combinaciones de ellos. La cámara de combustión 126 es un espacio revestido refractario que incluye una unidad de combustión diseñada para quemar los gases combustibles con una densidad de energía suficientemente alta para hacer la cámara tan pequeña como sea posible. La cámara 126 preferentemente se diseña de manera que la combustión se lleva a cabo completamente en ella. Como se ilustra, la cámara de combustión 126 puede estar al menos parcialmente dentro de la cámara de recolección de calor. En algunos casos, el tamaño de la cámara de combustión se determina por la longitud de la flama y puede aún ser mayor que la altura del regenerador por si mismo. Sin embargo, para minimizar los costos de la unidad regeneradora, el tamaño de la flama debe mantenerse tan pequeño como sea posible. Ya que el diseño del regenerador proporciona un espacio vacío a la mitad de la unidad, al menos una porción de la cámara de combustión 126 se coloca preferentemente en el espacio vacío de la cámara de recolección 112 en el regenerador. Como resultado de que la cámara de combustión se esta colocando al menos parcialmente dentro de la cámara caliente de recolección, resulta un tamaño de unidad muy compacto y así un costo de inversión inferior. La cámara de combustión puede colocarse opcionalmente muy cerca o conectarse directamente a la entrada de gas caliente del regenerador. En la fase gaseosa, el gas de combustión caliente producido por la combustión se recolecta y se distribuye de manera uniforme en el espacio entre la pared de la cámara de combustión 126 y la rejilla caliente 114. Esta característica proporciona ventajas importantes a la invención. Por ejemplo, la longitud de la cámara de combustión 126 puede establecerse apropiadamente como se requiere para lograr una eficiencia de combustión apropiada dentro de la cámara de combustión sin incrementar de manera no razonable la altura de la unidad de regeneración. Además, debido a que la caída de presión encontrada por el gas caliente y el gas de chorro de aire ocurre principalmente en el lecho de acumulación de calor, la uniformidad del flujo de gas no se afecta por la presencia de la cámara de combustión en el interior de la cámara de recolección de chorro de aire caliente 112. La salida del chorro de aire caliente 102 puede localizarse ya sea en la cámara de combustión 126 o en otra ubicación en el regenerador. El primer caso se ilustra en la Figura 1, en la cual el chorro de aire caliente entra a la cámara de combustión inactiva 126 y sale del regenerador a través de una abertura en la pared de la cámara de combustión. El gas de chorro de aire caliente se retira de la cámara de combustión a través de la salida de chorro de aire caliente 102 que esta conectada a la pared de la cámara de combustión, mientras se abre una válvula de chorro de aire caliente 132. El chorro de aire caliente se dirige a su punto de uso a través de un sistema adecuado de válvula y tubería, que incluye dispositivos de control de flujo. Para recolectar las partícula fácilmente del lecho de acumulación de calor, las cuales pueden caer de las aberturas de la rejilla caliente, puede proporcionarse opcionalmente una abertura en la parte inferior del espacio entre la rejilla caliente 114 y la pared de la cámara de combustión. Para evitar la fuga de calor fuera de la unidad a partir del interior, la cámara caliente de recolección 112, la parte superior de la cámara preferentemente se sella herméticamente mediante una tapa de aislamiento 122 hecha de un material resistente al calor. La función de la tapa 122 es evitar que salga de la unidad el gas caliente durante la fase gaseosa o el chorro de aire caliente durante la fase de chorro de aire sin haber viajado apropiadamente a través del lecho 116. La tapa 122 debe evitar además la pérdida de calor de la cámara a través de la conducción dentro de la tapa por si misma. Por lo tanto el material seleccionado para la tapa 122 debe tener una baja conductividad de calor e instalarse de manera que permita que la rejilla caliente se expanda libremente en la dirección vertical (a través de la expansión térmica) y que evite que el material del lecho se fugue hacia la cámara caliente de recolección. Los materiales adecuados que pueden utilizarse para aislar la tapa, incluyen por ejemplo, tal como cerámicas o cementos. En el caso de una falla del equipo que suministra a la unidad con un chorro de aire frío, tal como una máquina soplante, ventilador, válvula, etc., el calor almacenado en el lecho de acumulación de calor 116 se libera preferentemente a partir de la unidad hacia la atmósfera para mantener la integridad de la unidad. Dejando el regenerador inactivo en tal caso, el gradiente de temperatura en el lecho de acumulación de calor (exterior frío, interior caliente) tendería hacia el equilibrio (ver Figura 2) . La temperatura de la rejilla fría y la cubierta exterior se incrementaría entonces por, por ejemplo, desde aproximadamente 300 hasta 700 °C. Como estos componentes se diseñan para permanecer a temperaturas mucho menores, por ejemplo, de aproximadamente 30 hasta 400°C, no se esperaría que retuvieran su integridad bajo tan alta carga térmica. La falla de estos componentes resultaría inevitablemente en daño crítico a la unidad. La liberación de calor puede realizarse mediante el uso de un controlador, por ejemplo un PLC, que abre la tapa o una porción de la misma en respuesta a una anormalidad detectada. La anormalidad detectada puede ser, por ejemplo, una detención o bajo flujo del flujo de chorro de aire frío o un elevado nivel de temperatura en el regenerador. Para evitar esta ocurrencia, la tapa 122 que cubre la rejilla caliente puede proporcionarse con una abertura 124. Esta abertura puede estar conectada a un pabellón o a una antorcha con un conjunto adecuado de válvulas, tubería y dispositivos de control de flujo. Si la alimentación de chorro de aire frío fallara, esta abertura puede abrirse y liberar calor desde el lecho hacia la atmósfera a través de la convección natural del aire ambiental en la unidad. Esta abertura también puede estar conectada al punto de uso de la corriente de aire caliente y utilizarse así, si se desea, como la salida de chorro de aire caliente del regenerador. Además, la tubería de gas y válvulas adecuadas pueden instalarse de manera que permitan la alimentación del chorro de aire caliente hacia el regenerador para interrumpir en cualquier momento tal como se sigue en un procedimiento de seguridad . Los sistemas de regenerador ejemplificativos adicionales de acuerdo con la invención se ilustran en las Figuras 3, 4A y 4B. La modalidad mostrada en la Figura 3 permite al chorro de aire caliente salir del regenerador a través de una salida de chorro de aire caliente 302 en el regenerador separada de la cámara de combustión. Como se ilustra, la salida de chorro de aire caliente 302, puede proporcionarse a través de la tapa 122. La válvula de chorro de aire caliente 304, en este caso típicamente estaría colocada en la abertura de evacuación del chorro de aire caliente 304, a partir de la cámara de combustión. Las Figuras 4A y 4B ilustran un regenerador de acuerdo con una modalidad adicional de la invención durante la fase gaseosa y la fase de chorro de aire, respectivamente, en las cuales la cámara de combustión 126 está colocada fuera y debajo de la cámara caliente de recolección 112. La salida de la cámara de combustión 402, se muestra como estando colocada directamente a o a la misma como la entrada de gas caliente (Figura 4A) . El gas caliente entra a la cámara caliente de recolección 112 a través de la salida 402. Como se muestra el la Figura 4B el chorro de aire entra a la cámara de combustión inactiva 126 a través de la salida de chorro de aire caliente 402 durante la fase de chorro de aire. El flujo de chorro de aire caliente sale entonces de la cámara de combustión a través de una abertura adicional 404 en la pared de la cámara de combustión diseñada para evacuar el chorro de aire caliente y dirigirlo hacia su punto de uso a través de una válvula, tubería y control de flujo adecuados. En otra modalidad de la invención, la cámara de combustión puede estar colocada por abajo del aparato en una posición vertical. En ciertas aplicaciones, por ejemplo, la producción de chorro de aire caliente por un horno de chorro de aire, el diseño existente de la estufa de calentar es tal que el principal chorro de aire caliente, dedicado a la recolección del chorro de aire caliente, se localiza a una altura mayor de aproximadamente de 4 metros. Para integrar el aparato con un mínimo de trabajo de conexión al existente, es benéfico construir una cámara de combustión vertical bajo el aparato. Este diseño particular pondrá la salida de chorro de aire caliente en aproximadamente la altitud del principal chorro de aire existente, minimizando la necesidad del costoso trabajo del tubo revestido refractario. De manera alternativa la cámara de combustión puede colocarse horizontalmente, construida al pie del aparato. Como una alternativa para el uso de una cámara de combustión, puede proporcionarse el calor para el proceso mediante un gas combustible quemado en el interior del aparato termopermutador por si mismo. En tal caso, la unidad incluiría una entrada de gas combustible, una entrada de gas oxidizante y una velocidad de flujo y control de presión adecuados. El gas oxidizante preferentemente es aire, oxígeno industrialmente puro o impuro, aire enriquecido con oxígeno o una combinación de estos . Para proporcionar una densidad de liberación de energía muy alta en la flama, se utiliza un diseño de quemador especial. La flama preferentemente es tan corta como sea posible para asegurar que permanezca en el interior de la cámara caliente de recolección interior la cual, en esta modalidad, también sirve como la cámara de combustión. El diseño preferido para este quemador es un quemador de pre-mezcla, en el cual el gas oxidizante y el gas combustible se mezclan íntimamente antes de ser quemados. Tal diseño produce una flama muy intensa y corta, que la hace particularmente adecuada para esta aplicación. Un método de uso del termopermutador regenerativo de acuerdo con la invención se describirá ahora con referencia a la Figura 1. Para empezar un ciclo del aparato que inicia con la fase gaseosa, una válvula en la salida del gas de combustión 118 y una válvula en la entrada de gas caliente 107 se abre para permitir que fluya la corriente de gas caliente a través de la entrada de gas caliente 107 y a través del lecho 116. En las unidades en las cuales se proporciona calor mediante un quemador ya sea en el aparato por sí mismo o en una cámara de combustión separada, se abre una válvula de gas oxidizante y se inicia entonces el flujo del combustible hacia la cámara de combustión. La ignición de la flama se realiza por medio de un quemador de piloto o auto- ignición del combustible en el punto de contacto con las porciones calientes del aparato. En el caso de la auto-ignición, puede instalarse un dispositivo de ignición temporal para poner en marcha la unidad. Durante la fase gaseosa, el gas caliente entra al termopermutador regenerativo a través de la entrada de gas caliente 107 y se recolecta en la cámara caliente de recolección interior 112. El gas caliente se distribuye en el lecho 116 a través de la rejilla caliente 114 de tal forma que su velocidad de flujo depende únicamente del radio del punto en el cual se mide en el lecho y no en la altura del lecho o el ángulo de flujo. El gas fluye radialmente hacia afuera a través del lecho de intercambio térmico 116. A medida que el gas pasa a través del lecho, transfiere su calor al material en masa del lecho. El gas enfriado sale del lecho 116 a través de la rejilla fría 110 y se recolecta en la cámara de recolección fría externa 106. El gas se dirige entonces hacia la salida de gas combustible 118 a partir de la cual sale el gas del aparato. La fase gaseosa se termina cuando la cantidad requerida de calor se almacena en el lecho. Típicamente, se asigna un periodo de tiempo pre-establecido al ciclo de fase gaseosa seleccionándose la velocidad de flujo de gas caliente en base a tal tiempo. Al final de este ciclo, inicia la primera fase de inversión al cerrar la válvula de entrada de gas caliente al apagar el quemador. Cuando se proporciona el calor por la combustión, el flujo de combustible se interrumpe seguido por la desconexión del flujo de gas oxidizante. Enseguida se cierra la válvula de gas combustible. Inmediatamente después de cerrar la válvula de gas combustible, se abre la válvula de entrada de chorro de aire frío, permitiendo mediante esto que se caliente el chorro de aire frío para entrar al aparato. La presión durante la fase de chorro de aire con frecuencia es mayor que la presión durante la fase gaseosa. En tal caso, se observa una pausa antes de iniciar la fase de chorro de aire para permitir que la presión en la unidad se eleve desde la presión de operación de la fase gaseosa hasta la presión de operación de chorro de aire. Una vez que la presión en el interior de la unidad ha alcanzado el nivel deseado, la válvula de chorro de aire caliente 132 se abre y comienza el flujo del chorro de aire caliente desde la salida de chorro de aire caliente. Esto marca el inicio de la fase de chorro de aire.
Durante la fase de chorro de aire, el chorro de aire a calentarse viaja a través del lecho en una dirección opuesta al gas caliente previamente descrito con respecto a la parte superior de la fase gaseosa. Es decir, el chorro de aire a calentarse pasa radialmente hacia el interior a través del lecho, desde la cámara de recolección fría 106 a través de la rejilla fría 110 y el lecho de partícula 116 y hacia la cámara caliente de recolección 112. El gas se distribuye en el lecho de acumulación de calor de tal manera que su velocidad de flujo depende únicamente del punto radial del lecho en el que se mide y no de la altura o ángulo de flujo. De esta manera, el 'calor almacenado en el material de masa sin cohesión se recupera por el chorro de aire y el chorro de aire se caliente mediante esto hasta la temperatura de chorro de aire caliente deseada. A medida que el proceso continúa, la temperatura de chorro de aire caliente disminuye lentamente y disminuye la cantidad de calor almacenado en el lecho. Al final de la fase de chorro de aire, cuando la temperatura del chorro de aire caliente alcanza su nivel más bajo, se inicia la segunda fase de inversión. La válvula de chorro de aire caliente 132 se cierra y la válvula de chorro de aire frío 118 se cierra después. Si la fase de chorro de aire se opera bajo una presión mayor que la de la fase gaseosa, la válvula de gas combustible puede abrirse para despresurizar la unidad hacia la presión de operación de fase gaseosa al liberar el chorro de aire caliente hacia el pabellón. Esta etapa se hace suficientemente larga hasta bajar la presión de la unidad a la presión de operación de la fase gaseosa. Se inicia entonces una nueva fase gaseosa como se describió previamente . Debido al volumen relativamente pequeño del termopermutador regenerativo de acuerdo con la invención en comparación con las unidades convencionales, son posibles muchos tiempo de inversión más cortos que en las estufas de calentamiento convencionales. Las fases de inversión típicas pueden durar, por ejemplo, a partir de unos pocos segundos hasta unos pocos minutos (e.g., desde tres segundos hasta cinco minutos) dependiendo del tamaño de la unidad, para la fase de inversión siguiendo la fase gaseosa y antes de la fase de chorro de aire y por aproximadamente el mismo tiempo, dependiendo del tamaño de la unidad, para la fase de inversión siguiendo la fase de chorro de aire y antes de la siguiente fase gaseosa. Además, se pierde menos chorro de aire caliente hacia el pabellón, mientras se abate la presión de la unidad al final del periodo de chorro de aire comparado a las estufas de calentamiento convencionales. Así, el proceso puede operarse mucho más eficientemente que lo que era posible anteriormente. Además, los gases calientes se confinan siempre a las partes internas del aparato y lejos de las porciones externas tal como la cámara de recolección fría 106 y la rejilla fría 110. Como una consecuencia, la cubierta externa 108 del aparato así como la rejilla fría 110 se encuentran siempre a temperaturas moderadas. Con tal diseño, las pérdidas de calor a través de las paredes del aparato son menores que en un aparato en el cual se localizan las partes de calor cerca de las paredes. Además, debido a la geometría cilindrica del regenerador, los parámetros medidos en el lecho son uniformes para dar un radio a partir del eje de la unidad . En un aspecto ventajoso adicional de la invención, la fase de chorro de aire puede llevarse a cabo con una sobre-presión. Tal operación, típicamente cuando se calienta un chorro de aire del horno de chorro de aire, da como resultado venta osamente un incremento en la velocidad de flujo del gas al calentarse virtualmente proporcional a la presión absoluta sin afectar adversamente la transferencia de calor. Si se produce un chorro de aire del horno de chorro de aire, por ejemplo, a una presión de menos de 5 bares, la velocidad de flujo puede alcanzar 5000 Nm3/hm2 (2500 kW/m2) . Con un regenerador que tiene un área de superficie de rejilla de 20 m2, puede producirse una velocidad de flujo de chorro de aire caliente de 100,000 Nm3/h. Por otro lado, la fase gaseosa se llevará a cabo generalmente a una presión normal por razones económicas. A fin de asegurar la operación continua del aparato termopermutador regenerativo, para permitir la producción continua de los gases calientes, es particularmente ventajoso emplear una pluralidad de termopermutadores. En tal caso, los termopermutadores pueden estar enlazados por una válvula, tubería y control de flujo para permitir el control apropiado del flujo y de la presión del gas caliente y del gas de chorro de aire en los termopermutadores . El calor requerido por los permutadores puede suministrarse por una sola cámara de combustión. El dispositivo de combustión debe dimensionarse apropiadamente para el suministro a las varias unidades. Opcionalmente, el quemador puede tener múltiples sistemas de etapas múltiples, permitiéndoles operarse en varios puntos de operación. El uso de una pluralidad de regeneradores que comparten el mismo dispositivo de combustión es particularmente benéfico en que se vuelve menor el riesgo de daño al revestimiento refractario de la cámara de combustión. Debido a que el quemador casi nunca se apaga, pueden evitarse las variaciones per udiciales de temperatura rápidas y altas hacia la unidad. También para el objetivo de distribución uniforme del gas a través del lecho de acumulación de calor, pueden utilizarse venta osamente ladrillos refractarios especialmente diseñados y rejillas calientes formadas del mismo. Aunque la invención no se limita al uso de estos ladrillos y rejillas, tales ladrillo y rejillas se describen a continuación y también son objeto de la solicitud de E.U. no . , expediente de abogado no. 000348-161, presentada en la misma fecha con la presente, los contenidos completos de la cual se incorporan en la presente para re erencia . Las Figuras 5A-E ilustran varias vistas de un ladrillo ej emplificativo 500 de una primera modalidad de la invención para utilizarse en una rejilla caliente del termopermutador regenerativo . La Figura 5E es una vista en sección parcial del ladrillo 500, mientras que las Figuras 5A y 5D son vistas en sección transversal tomadas a lo largo de las líneas C-C y B-B respectivamente, de la Figura 5E . Las Figuras 5B y 5C son vistas en planta del ladrillo 500. Las elevadas temperaturas de operación (e.g., mayores de 600 y aún mayores de 1400°C en algunas aplicaciones) y los ciclos de tensión repetidos a los cuales se someten los ladrillos y las rejillas calientes en el termopermutador colocan demandas extremas sobre esa estructura. Los ladrillos y la rejilla pueden ya sea ser suficientemente fuertes para soportar el aumento de tensión o pueden diseñarse de tal manera que se auto-ajusten al aumento de tensión. Este diseño particular se refiere a la primera solución. Los ladrillo y la rejilla son así de tal material y diseño para soportar variaciones de temperatura y tensión para proporcionar soporte mecánico al lecho de partículas al sustentar su geometría bajo tales condiciones. Al mismo tiempo, los ladrillo y la rejilla caliente son de un diseño para ser permeables a los gases con una caída de presión razonable y para no afectarse esencialmente por la obstrucción del polvo. Sin embargo, para lograr estas metas, se emplea una estructura macroscópicamente homogénea la cual tiene una buena proporción de abertura para las corrientes gaseosas. Para soportar las variaciones de temperatura y tensión requeridas en el termopermutador, el ladrillo 500 se elabora de un material refractario, preferentemente cerámicas moldeables refractarias o cementos moldeables refractarios. La geometría del ladrillo 500 permite la formación de una rejilla cilindrica cuando el ladrillo yace lado a lado con respecto a los lados 501 y cuando se apilan a una altura deseada. Así, la forma del ladrillo es preferentemente un sector de un anillo circular del ángulo. Típicamente, el ángulo del sector de anillo es desde aproximadamente 10 hasta 30, más preferentemente aproximadamente 16. El ladrillo 500 es típicamente de una longitud 1, medida desde una cara interior 510 hasta una cara exterior 506, de desde aproximadamente 10 hasta 80 cm y de una altura h de desde aproximadamente 15 hasta 50 cm.
La cara interna 510 se orienta hacia la cámara caliente de recolección interna del regenerador y la cara externa 506 se encuentra en contacto con el lecho de acumulación de calor del regenerador. La cara interna 510 del ladrillo tiene al menos una cavidad 502, la sección transversal de la cual puede tomar varias formas. En la modalidad ilustrada, la sección transversal es generalmente rectangular. Preferentemente, la sección transversal tiene una dimensión más pequeña 504 mayor que diez veces el diámetro máximo de las partículas del lecho de acumulación de calor. Típicamente, la dimensión más pequeña 504 de la cavidad 502 es desde aproximadamente 4 hasta 15 cm. Como se muestra en la Figura 5B, el ladrillo ej emplificativo tiene cuatro cavidades 502. Si un ladrillo individual tiene más de una cavidad 502, cada una es preferentemente aproximadamente igual en tamaño, que las cavidades que se están distribuyendo de manera uniforme sobre la superficie interna del ladrillo. Estas cavidades típicamente se extienden de la mitad hasta dos tercios de la longitud 1 del ladrillo. La porción externa de ladrillo, que se extiende desde la parte inferior de las cavidades hasta la cara externa 506 de ladrillo, se perfora mediante una pluralidad de canales longitudinales 508. Los canales longitudinales 508 se fabrican de tal manera que los gases pueden circular libremente a través del ladrillo desde la cara interna 510 hacia la cara externa 506 y viceversa. Se evita que las partículas del lecho entren a los canales longitudinales 508 por el tamaño apropiado de los canales. En la modalidad ej emplificativa, los canales longitudinales 508 son rectangulares en la sección transversal, aunque se prevén también otras formas. La dimensión más pequeña de los canales longitudinales no debe ser mayor al diámetro de las partículas. En el caso de los canales rectangulares representados, el diámetro mayor de los canales se encuentra preferentemente entre cinco y diez veces la dimensión más pequeña. Típicamente, la dimensión más pequeña es desde aproximadamente 0.3 hasta 1.5 cm y la dimensión más grande es desde aproximadamente 1 hasta 8 cm. El número de canales longitudinales 508 se selecciona para proporcionar una proporción de abertura del ladrillo adecuada aunque tiene material suficiente para no arriesgar las propiedades mecánicas del ladrillo. Preferentemente, cada ladrillo individual se construye de un solo material y de una sola pieza del material. Tal estructura disminuye la probabilidad de un punto débil en el ladrillo al mejorar su homogeneidad. Las Figuras 6A y 6B ilustran un diseño preferido de la cara externa del ladrillo de acuerdo con un aspecto preferido de la invención. Para permitir una disminución adicional en la caída de presión a través del ladrillo, puede emplearse un perfil de canal especial en la cara externa 506 del ladrillo en donde salen los canales longitudinales. Es particularmente deseable mantener la proporción de la sección de abertura/sección de ladrillo dentro de un rango razonable para garantizar las propiedades mecánicas adecuadas de la rejilla caliente. La sección libre observada mediante el flujo de gas hasta al menos la sección libre de los canales longitudinales puede incrementarse al crear una red de ranuras superficiales 602 excavadas en la cara externa 506 del ladrillo. Estas ranuras son típicamente de una profundidad de pocos milímetros, por ejemplo de aproximadamente 2 hasta 15 mm. Tal perfil puede incrementar eficientemente la sección libre vista por el gas. El ladrillo preferentemente tiene una proporción de área abierta: área cerrada en la cara interna de desde 0.1:1 hasta 0.5:5 y una proporción de área abierta: área cerrada en la cara externa de desde 0.1:1 hasta 0.5:1. En el caso de las partículas de acumulación de calor esféricas 604 en el frente de la ranura 602, la sección libre vista por el gas es proporcional a la sección de abertura y puede entenderse a partir de la siguiente ecuación : {HbreWsección} sobre {aberturaWsección} en donde: = 1-{ } sobre {4} ¦ {e} sobre {D} e es el ancho de la ranura y D es el diámetro de las partículas El tamaño de las ranuras 602 y otras aberturas en el ladrillo se seleccionan para ser suficientemente grande para que la obstrucción de polvo durante el uso del termopermutador no sea de importancia. Las secciones abiertas de los canales y ranuras también deben ser suficientemente grandes de manera que no ocurra la obstrucción por menor que sea el fenómeno de acumulación de polvo. El diseño del ladrillo mostrado en la Figura 5 da como resultado una rejilla caliente mecánicamente resistente y homogénea que tiene una caída de presión baja y es a prueba de polvo. Las Figuras 7A-E ilustran un ladrillo ejemplificativo 700 de una segunda modalidad de la invención. Las Figuras 7C-E son varias vistas en planta del ladrillo 700, mientras la Figura 7B son vistas en sección transversal tomadas a lo largo de las líneas A-A de la Figura 7D. La Figura 7A son vistas en sección transversal tomadas a lo largo de las líneas B-B de la Figura 7B. Como con el primer diseño, el ladrillo y la rejilla caliente formada de los ladrillos debe adaptarse al posible aumento de tensión en el lecho de partículas inducido por el ciclo térmico de la unidad. Sin embargo, el diseño particular es auto ustable al aumento de tensión. En esta modalidad de la invención, el ladrillo 700 y la rejilla caliente formada a partir del mismo se diseñan para permitir que los guijarros en el lecho de acumulación de calor se expandan libremente en la dirección radial sin comprometer la función de soporte mecánico del ladrillo 700 o la rejilla caliente. El ladrillo 700 y la rejilla caliente se diseñan de tal manera que las partículas que cubren el lecho de acumulación de calor pueden moverse libremente en la región de las aberturas 708 formadas en el mismo. Este diseño de ladrillo también es ventajoso por su capacidad de evitar los efectos negativos de la acumulación de polvo en la rejilla caliente. La rejilla caliente formada a partir de los ladrillos puede diseñarse de tal manera que las partículas del lecho de acumulación de calor son libres de moverse en la región de las aberturas de canal de la rejilla caliente, con la energía cinética de la corriente de chorro de aire creando el movimiento limitado de partículas en la región de la rejilla caliente. Los criterios de diseño total para el ladrillo 700 y la rejilla caliente en esta modalidad son generalmente los mismos que los utilizados en la primera modalidad, excepto por la provisión de una superficie libre para mover las partículas del lecho de acumulación de calor. Como para el ladrillo de la primera modalidad, el ladrillo 700 se elabora de un material refractario, preferentemente cerámicas moldeables refractarias. La forma del ladrillo es preferentemente un sector de un anillo circular de ángulo. Típicamente, el ángulo del sector de anillo es de aproximadamente 10 a 30, más preferentemente de aproximadamente 16. El ladrillo 700 es típicamente de una longitud 1 de aproximadamen e 15 a 80 cm. y de una altura h de desde aproximadamente 30 a 50 cm. Al menos una porción del canal no es horizontal y hace un ángulo con la horizontal, incrementando la inclinación de la cara externa 710 hacia la cara interna 712 del ladrillo 700. Es típicamente mayor de 5, preferentemente mayor de 15 y más preferentemente es aproximadamente mayor o igual al ángulo de reposo natural de las partículas perdidas del lecho de acumulación de calor. El ladrillo 700 tiene al menos una parte horizontal 702, 704 y al menos una parte inclinada no horizontal 706, con un ángulo cuya inclinación es positiva en la dirección hacia el centro de la unidad de intercambio térmico, i.e., en la dirección de la cara externa 710 hacia la cara interna 712. Esto permite el mantenimiento de un ángulo no horizontal por los canales después de apilar los ladrillos para formar la rejilla. El ángulo es pre erentemente desde aproximadamente 5 hasta 50. El ángulo del canal y el ángulo de la parte inclinada del ladrillo son preferentemente el mismo. Siendo 15, la altura h del ladrillo 700 podría ser de aproximadamente 39 cm (i.e., 35 + 15 tan (15)). La porción inclinada 706 se coloca pre erentemente entre dos secciones horizontales 702, 704. Cada porción horizontal es preferentemente de aproximadamente 20% de la longitud 1 total del ladrillo. Al menos un canal o cavidad 708 penetra a través del ladrillo desde la cara interior 712 hasta la cara exterior 710 del ladrillo 700. Típicamente, el ladrillo 700 incluye desde aproximadamente 1 hasta 50 canales 708, incluyendo el ladrillo ej emplificativo 16 canales 708. Los canales 708 preferentemente se distribuyen de manera uniforme sobre las caras interior y exterior 712, 710. Preferentemente la proporción de área abierta: rea cerrada en la cara interna y la cara externa es desde 0.1:1 a 0.5:1. Las partículas que componen el lecho de acumulación de calor cuando se utiliza este diseño de ladrillo tienen preferentemente un diámetro máximo de 20 mm. La sección transversal de los canales individuales 708 es tal que las partículas de material de masa sin cohesión puede entrar libremente al canal sin ser detenidas por alguna forma de incompatibilidad. Preferentemente la forma de la sección transversal es rectangular. En el caso de una sección transversal del canal rectangular, el canal tiene una dimensión más pequeña x y un dimensión mayor y en la cara externa 710 del ladrillo. La dimensión más pequeña x del canal 708 en la cara externa 710 del ladrillo debe ser al menos dos veces el diámetro máximo de la partícula de material de masa sin cohesión y preferentemente desde 5 hasta 10 veces mayor que el diámetro máximo de las partículas. La dimensión mayor y del canal en la cara externa es preferentemente desde 2 hasta 10 veces mayor que el diámetro máximo de las partículas. Preferentemente, la dimensión más pequeña x es desde 2 hasta 20 cm y la dimensión mayor y es desde 2 hasta 25 cm. En la modalidad ej emplificativa, la sección transversal del canal en la cara 710 es de 4.8 x 4.0 cm. Tal configuración permite que las partículas se expandan libremente, liberando mediante esto el aumento de tensión durante el ciclo térmico de la unidad. La velocidad del gas en los canales en la rejilla formados a partir de los ladrillos debe ser menor después del limite de velocidad de fluidización de las partículas en el lecho de acumulación de calor. Esto puede realizarse mediante la selección apropiada de la sección transversal de los canales, lo cual se refiere al diámetro máximo de las partículas del lecho. La velocidad del chorro de aire V en los canales se da por la siguiente ecuación: V = {Q sub a} sobre 3600- · 10 en donde: ~{S sub {CalorW Rejilla}} sobre Qa es la velocidad de {n sub {Canal/ILadrillo} flujo de gas actual (A) durante la fase ~N sub {Ladrillo} ~ ¦ ~ S sub {Canal}} de chorro de aire en Am3/(hr m2 de rejilla caliente) n canai/Ladriiio es el número de canales por ladrillo N Ladrillo es el número de ladrillos en la rejilla caliente Scanai es el área de sección transversal de un canal individual en m2 y Réjala caliente es el área de superficie de la rejilla caliente en mz
La Figura 8 ilustra en sección transversal una porción de una rejilla caliente formada a partir de una pluralidad de ladrillos 700 de la segunda modalidad y un lecho de acumulación de calor 802 durante la fase gaseosa. Durante la fase gaseosa, se incrementa la temperatura promedio de las partículas en el lecho de acumulación de calor. Las partículas del lecho 802 tienden a expandirse debido al incremento de temperatura. Como resultado, aplican una tensión radialmente compresiva sobre los ladrillos 700 en la rejilla caliente. Debido a que las partículas son libres de moverse radialmente por su capacidad de entrar a los canales de la rejilla caliente, por lo tanto se libera el campo de tensión. La Figura 9 ilustra una porción en sección transversal de una rejilla caliente formada a partir de una pluralidad de ladrillos 700 de la segunda modalidad y un lecho de acumulación de calor 802 durante la fase de chorro de aire. Durante la fase de chorro de aire, ocurre la contracción de las partículas en el lecho de acumulación calor 802 y las partículas en los canales 708 tienden moverse de regreso hacia el núcleo del lecho debido a inclinación de los canales. embargo, esta contracción puede no ser totalmente compensada por la expansión previa que ocurre durante la fase gaseosa. En tal caso, los canales pueden llenarse con partículas del lecho a través del tiempo. Algunas de las partículas pueden caer entonces hacia la cámara caliente de recolección en donde se pueden recolectar fácilmente. De acuerdo con un aspecto preferido de invención, la sección transversal de los canales individuales en la cara externa del ladrillo es tal que la velocidad del gas V en el canal durante la fase de chorro de aire es menor que la velocidad de fluidización neumática de las partículas en el lecho de acumulación de calor Ve% y mayor que la Velocidad Ledoux VL: VL < V < Vel en donde la Velocidad Ledoux VL se define de acuerdo a la siguiente ecuación V sub L = 0.4 ¦ SQRT {{D- sub L} sobre { en la cual: sub g}} D es el diámetro de las partículas de acumulación de calor es el peso volumétrico del lecho (kg.m"3) y g es el peso volumétrico del gas (kg.m 3).
La velocidad del chorro de aire V en los canales se da por la siguiente ecuación: V = {Q sub a} sobre 3600- ¦ 25 en donde: ~{S sub {CalorW Rejilla}}' sobre Qa es el velocidad de {n sub {Canal/Ladrillo} ~ ¦ flujo de gas actual (A) durante ~N sub {Ladrillo} S sub {Canal}} la fase de chorro de aire en ArrrVhr m2 de rejilla caliente ncanai/Ladriiio es el número de canales por ladrillo NL3druio es el número de ladrillos en la rejilla caliente canai es el área de sección transversal de un canal individual en m2 y $RejMa caliente es el área de superficie de la rejilla caliente en m2
Preferentemente la velocidad de chorro de aire V es aproximadamente igual a dos veces la Velocidad Ledoux VL. Debido a la selección del rango de velocidad de gas particular definido anteriormente para el flujo de chorro de aire durante la fase de chorro de aire, algunas partículas del material de masa sin cohesión de acumulación de calor pueden atraerse hacia los canales por la corriente de chorro de aire. Ya que la velocidad del chorro de aire se encuentra muy por abajo de la velocidad de fluidización para este material, el chorro de aire mantiene las partículas del lecho agitadas en la proximidad de la rejilla caliente, transportando relativamente pocas partículas por la corriente de chorro de aire . A medida que las partículas viajan hacia arriba a través de los canales, la velocidad del chorro de aire disminuye. En la entrada de los canales, la velocidad del gas actual observada por las partículas se proporciona mediante la siguiente fórmula: V sub {entrada} = {Q sub a } sobre {3600 s} en donde s' es el área de sección transversal libre de la abertura en m2, s' típicamente es de aproximadamente 55% de la sección transversal completa debido a la obstrucción parcial de la abertura por las partículas del lecho de acumulación de calor. Ya que solo una de las dos partículas se encuentra típicamente presente en la sección transversal del canal en los puntos más elevados, la abertura libre generalmente es significativamente mayor y cae la velocidad actual del chorro de aire. Este efecto puede mejorarse opcionalmente al incrementar la altura de los canales individuales hacia la cara interna del ladrillo. Considerando que el ancho del canal disminuye ligeramente debido al diseño del ladrillo, el incremento en la altura puede mantener constante el área de la sección transversal y puede incrementarla aún, dependiendo de la tasa de alargamiento seleccionada. Debido a la disminución en la velocidad de la corriente de chorro de aire, las condiciones caen por abajo del punto en el que las partículas pueden transportarse en la corriente. Consecuentemente, las partículas caen a la parte inferior del canal y regresan hacia abajo hacia el lecho de acumulación de calor. Cualquier partícula que viaja hacia el final del canal cae a la parte inferior de la cámara caliente de recolección debido a la baja velocidad del gas en ella. La agitación de las partículas de la manera descrita evita de manera efectiva la encoladura de las partículas por la carga de polvo de los gases. Como resultado, el diseño del ladrillo disminuye efectivamente el daño de un incremento de caída de presión durante el tiempo a través de la obstrucción de polvo. La invención no se limita a los diseños del ladrillo ej emplificativo anteriormente descrito y también se prevén otros diseños de ladrillo. Por ejemplo, en el diseño de ladrillo de la segunda modalidad, los canales pueden tener más de una porción no horizontal que tiene diferentes ángulos para cada porción. Tal estructura puede limitar mejor el número total de partículas que salen de la rejilla caliente al hacer más difícil para las partículas viajar a través de la longitud completa de los canales. Preferentemente, la rejilla caliente formada de los ladrillos anteriormente descritos son de forma cilindrica, manteniéndose los ladrillos juntos, por ejemplo, con mortero o cemento refractario. La Figura 10 es una gráfica de temperatura versus la posición radial en el lecho de acumulación de calor e ilustra los perfiles térmicos del aparato de acuerdo con la invención durante una fase de chorro de aire por varios tiempos. Como puede observarse a partir de esta figura, el perfil térmico es en forma de S. Esto es en contraste a los calentadores de aire convencionales que tienen circulación vertical y que poseen un perfil térmico esencialmente en forma lineal. La distribución de la temperatura en forma de S tiene la primer ventaja de que es pequeña la caída de temperatura del chorro de aire caliente durante la fase de soplado frío comparada a la variación en la temperatura promedio del lecho de material completo, que es generalmente mayor que 200°C y preferentemente mayor que 400°C. En contraste, la variación en la temperatura promedio en los calentadores de aire conocidos es de aproximadamente 100 °C. Como resultado, el aparato de acuerdo con la invención almacena aproximadamente cuatro veces más la energía calórica que los sistemas convencionales. Este resultado hace posible reducir considerablemente la masa de acumulación de calor utilizada en la unidad. La distribución en S de la temperatura depende no solo del tamaño de partícula prescrito de las partículas en el lecho, sino también de la mínima velocidad de flujo de gas determinada. Esta mínima velocidad de flujo corresponde a una energía de 300 Nm3/h m2. Esto corresponde, a una temperatura de chorro de aire de 1200°C a una energía específica de 150 k /m2, que es el mínimo adecuado en este método. Cuando la energía se incrementa, el perfil en S de la temperatura se vuelve incrementadamente pronunciado. Un punto de operación particularmente ventajoso aparece para una capacidad de flujo de 1000 Nm3/h m2 y una caída de presión de 1000 a 1600 Pa. Un incremento en la velocidad de flujo hasta de 2000 Nm3/h tn2 es posible sin disminuir la transferencia de calor, considerando una pérdida de calor de 3000 a 5000 Pa. Este límite de energía se aplica al funcionamiento bajo presión normal . Durante la operación del regenerador se observó de acuerdo con la invención que la temperatura del chorro de aire caliente inicial fue únicamente de 20 a 50°C por debajo de la temperatura de flama teórica y que la temperatura de chorro de aire caliente no varió por más de 150°C a través de la fase de chorro de aire. Esto indica que aún en el caso de la caída de temperatura, se ha logrado una mejora por un factor de 10. Dependiendo del tamaño y diseño del regenerador, puede elevarse la eficiencia térmica desde 70 a 85% (incluida la inversión) para calentadores de aire convencional de 80 a 95% (excluida la inversión) para el regenerador de acuerdo a la invención.
Aunque se ha descrito la invención en detalle con referencia a modalidades específicas de la misma, será aparente para un experto en la técnica que pueden hacerse varios cambios y modificaciones y los equivalentes empleados, sin apartarse del alcance de las reivindicaciones anexas.