MXPA99006865A - Sistema de calentamiento de agua - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un dispositivo calentador para proporcionar una transferencia térmica entre un primer fluido y un segundo fluido, el cual comprende:un dispositivo de combustión para encender una mezcla de combustión de aire y gas a fin de producir el primer fluido;una cámara de combustión acoplada al dispositivo de combustión mencionado y al menos un tubo de intercambio conectado a la cámara de combustión para recibir al primer fluido;un recinto que rodea al tubo de intercambio, presente al menos en cantidad de uno, para guiar el segundo fluido alrededor de tal tubo de intercambio, y una válvula para aire y combustible acoplada al dispositivo de combustión para regular la mezcla combustible de aire y gas, comprendiendo la válvula para aire y combustión una placa de orificios para gas que cuenta con una o varias ranuras, en que cada ranura tiene una abertura angular y un largo radial que es variable por todo un intervalo o rasgos correspondientes a la abertura angular.

Description

SISTEMA DE CALENTAMIENTO DE AGUA ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un sistema d calentamiento con agua y más específicamente y un sistem calentador de agua que opera en un intervalo o rango muy ampli de modulaciones, y que muestra tener una estabilidad confiabilidad y eficiencia de costo, sobresalientes.

Convencionalmente los dispositivos para controlar l temperatura del agua caliente han. incluido intercambiadores d calor para lograr la transferencia del calor entre el agua que s desplaza rápidamente dentro de los tubos y una fuente de calor que puede ser vapor o gas, expuesta al lado exterior de lo tubos. Estos sistemas, que generalmente se identifican con e término de "instantáneo" producen temperaturas fluctuantes com resultado del flujo y de la energía de entrada, que tambié fluctúan. Por ejemplo, cuando el sistema tiene un cambio d incremento en el flujo (una mayor demanda de agua caliente) , l temperatura del agua comenzará a bajar inmediatamente toda ve que la baja de temperatura es una función de la tasa de cambio d la carga (o sea el flujo) . De hecho cuando cambia la carg instantáneamente de 0% a 100% (o a su máximo) , la temperatura de agua de salida podría caer momentáneamente para quedar cerca d la temperatura del agua de entrada.

Debido al retraso (tiempo para incrementar la energí como resultado de mayor flujo y tiempo para que el agua absorb la energía) , existe un límite en la llamada ganancia, o crecid (cantidad de entrada de energía por unidad de cambio d temperatura), que causa una caída en el sistema. Por ejemplo cuando se coloca un dispositivo para una salida a una temperatur de 140°, con un flujo bajo, típicamente podría ocurrir una caíd de 20° a 25° bajo condiciones de estado constante, lo cua significa que para un flujo equivalente a 100% se produciría un baja en la temperatura de salida de 20° a 25°. Los errores d temperatura que resulten de una respuesta dinámica pobre s sobreponen al error de temperatura en estado constante qu resulte de las ganancias bajas, necesarias para lograr l estabilidad del sistema.

Como resultado de tal control tan pobre de la temperaturas, se utilizan habitualmente los tanques d almacenamiento para usar con el sistema instantáneo a fin d almacenar agua calentada a una temperatura fija; en una forma d realización se bombea el agua con una tasa constante a través de sistema para mantener constante la temperatura. Otros método incluyen calentar el agua almacenada sin auxiliar de bombeo confiar en la convección natural para alcanzar el control de la temperaturas. En vista de que el uso del tanque d almacenamiento, de por sí, no resuelve el problema del control d las temperaturas, se han creado dispositivos, por ejemplo com aquel que se describe en la Patente Norteamericana Núme 4,305,547 (abreviada como la "Patente v 547") a fin de mejorar control de la temperatura. En la Patente "547, el inventor suministrado una mejoría en aquellos dispositivos de control base de termostatos y plomos, un sistema en que se establece u combinación de un punto establecido y de un control de avance la carga, que reduce a un mínimo las fluctuaciones en l temperatura del agua caliente, anticipando los cambios en lo requerimientos en unidades térmicas británicas, abreviadas e castellano: UTB, y abreviatura internacional BTU. Este sistema s basa en un método indirecto (a base de líquido o vapor) suministrar la fuente de energía al intercambiador de calor. E cambio, el carácter complicado de la entrada de energía en formato de calentamiento directo como se utiliza aquí, hace e control de la temperatura notablemente más difícil y ell requiere un grado aún mayor de ingeniosidad técnica que aquell descrita en la Patente ?547.

Otro problema en los sistemas técnicos anteriores, n importa si se trata de condensación o no, se refiere a l eficiencia general de los sistemas, es decir la eficiencia de l unidad y la eficiencia del sistema de distribución. Tale eficiencias afectan notablemente el costo de combustible por cad litro de agua entregado. Típicamente se basan las eficiencias e condiciones de laboratorio con una carga homologada (o máxima) es decir una operación continua de carga homologada. Sin embargo en la aplicación comercial de agua potable, la diversidad es la carga (en otras palabras, el perfil de la carga) es todo men continua o constante, es decir esta carga fluctúa en alto gra en el transcurso del tiempo. Así por ejemplo, son mayores l cargas por la mañana por el uso más concentrado del agua en tan que en las tardes las cargas son menores toda vez que hay men personas que requieren agua. En vista de que todos los sistem suministran únicamente la energía usada, se debe establecer ciclo de "conectado" y "desconectado" la calefacción (la energ de entrada) a fin de suministrar la carga reducida en la tarde según el caso, una mayor carga por las mañanas. Normalmente disminuirse la carga, la unidad o sea el calor asume una serie ciclos "conectado" y "desconectado" para atender correctamente carga; se busca que entre la energía total suministrada haya u equivalencia a la energía reducida, utilizada. Se entiende en técnica que tal sistema de ciclaje reduce la eficiencia.

Igualmente, como resultado de las características q acusan ciertos dispositivos pertenecientes a la técnica anterio particularmente aquellos sistemas que no trabajan con ag condensada, aparte de los inconvenientes de utilizar un tanque almacenamiento y un sistema bombeo para la distribución y recirculación, puede decirse que es muy poco adecuada eficiencia del sistema. Las pobres características de temperatu y una ausencia generalizada de tomar en cuenta la temperatu instantánea en los sistemas de distribución requieren que mantenga la temperatura en un nivel claramente mayor de lo que e necesario para impedir la caída a niveles inaceptables de l temperatura, bajo carga. La diferencia entre esta temperatura d distribución y la temperatura de uso requerida produce continua pérdidas de energía en todo el sistema de distribución. Esta pérdidas y las mayores probabilidades de escaldadura, es deci los efectos del paso de agua muy caliente, son consecuencia de l tecnología existente.

Otros problemas de los dispositivos actuales s refieren al desempeño de las eficiencias. Por ejemplo, la energí no absorbida por el fluido y no extraída por el tubo de humos d la caldera se pierde al aire ambiente toda vez que los gases s encuentran en una relación de intercambio de calor no únicament con el fluido sino también con el aire del medio ambiente. Ademá puede decirse que la mayor parte de los sistemas quemados con ga tratan de incrementar el área superficial del lado de los tubo correspondiente al gas (a fin de incrementar la capacidad del ga para transferir su calor) mediante el aprovechamiento de aletas las cuales tienen las características de atrapar los producto que pasan por el tubo de humo, causando así la acumulación d carbono. Cuando mayor sea la acumulación del carbono, peor ser la transferencia del calor. Como resultado se presenta un pérdida de la eficiencia y los usuarios quedan con la tare laboriosa de abrir y limpiar el intercambiador de calor.

Estos problemas han sido atendidos anteriormente po otro empleado del causahabiente Aereo International, Inc., en l Patente Norteamericana Número 4,852,524 (la Patente *524"). E tanto que el sistema calentador de agua dado a conocer en l Patente x524 constituía una mejoría notable de la técnic anterior, la presente invención trata de ir aún más lejos proporcionar un sistema calentador de agua que tendrá un estabilidad, una confiabilidad y una eficiencia de costo aú mayores en comparación con el sistema dado a conocer en l Patente 524.

SÍNTESIS DE LA INVENCIÓN La presente invención resuelve las deficiencia descritas en la sección anterior y ofrece un sistema calentado de agua de modulación completa, con tiro forzado y de un sol paso vertical, con su tubo de combustión, el cual opera sobre u amplio rango o intervalo de modulaciones y que muestra un sobresaliente estabilidad, confiabilidad y eficiencia en cuant a los aspectos de costo. Estos objetivos y características s logran de acuerdo con presente invención mediante el suministr de una combinación novedosa de diversos componentes, que incluye un elemento de combustión parar encender una mezcla d combustible a base de aire y gas, un intercambiador de calor qu sirve para proporcionar la transferencia térmica entre los gase encendidos y el agua, así como un elemento de control d temperatura que sirve para monitorear la tasa de la transferenci térmica entre los gases encendidos y el agua.

El elemento de combustión comprende de preferencia u quemador para la mezcla que sale de la boquilla (en oposición d un quemador de premezcla) , capaz de mezclar el aire y el gas par lograr una combustión completa de alta calidad en un ampli intervalo o rango de flujos (típicamente de 15 a 1) , lo cual d como resultado una eficiencia elevada de la combustión y mu bajas emisiones de material contaminante. Específicamente s señala que el quemador comprende un tubo para gas que est abierto en su parte superior y que lleva un tapón en su fond inferior, con una cámara cilindrica para aire que encierra e tubo para gas y que se define por un casco exterior cilindrico un desviador anular que cubre la parte superior de la cámara d aire, un conducto para aire que se encuentra por encima de desviador, y un conjunto de cabeza de quemador o quemadores qu está situado en la parte inferior de la cámara de aire. El ga entra al quemador desde el extremo abierto del tubo para gas sale del tapón para gas, que cuenta por lo menos con un compuerta para la salida del mismo. El aire entra a través de conducto para aire, pasa a través de compuertas practicadas en e desviador, luego procede a través de la cámara para aire par salir luego a través de las compuertas practicadas en el conjunt de la cabeza del quemador.

De preferencia se extienden los tubos para ga radialmente hacia afuera, procediendo del tubo para gas, par dirigirse al casco exterior que se encuentra por encima de l parte inferior del conjunto de la cabeza del quemador a fin d introducir el gas para lograr el mezclado con el aire presente e el conjunto de cabeza de quemador. Igualmente es preferido que e conjunto de cabeza de quemador y el casco exterior formen u canal anular a través puede pasar el aire procedente de la cámar de aire y el gas procedente de los tubos radiales . Se colocan d preferencia unas aletas en el canal anular para acelerar e mezclado. Las aletas están posicionadas en relación asimétric con respecto a los tubos radiales. Esta relación asimétric impide la oscilación causada por la combustión y otra inestabilidades y logra que se vayan quemando los gases con un velocidad muy alta, reduciendo así el retraso en la quema, e tanto que al mismo tiempo se incrementa la estabilidad genera del sistema.

El elemento del intercambiador de calor incluye un cámara de combustión para recibir los gases encendidos, un cámara para agua que encierra la cámara de combustión y qu cuenta con una entrada y una salida entre las cuales pasa e agua, así como también una pluralidad de tubos intercambiadore de calor conectados a la parte inferior de la cámara d combustión y que se extienden en sentido descendente pasando po la cámara para agua. Los gases encendidos entran en la cámara d combustión desde arriba y van bajando a través de la misma par luego pasar a través de los tubos de intercambio. Al mismo tiemp entra agua a través de la entrada para agua y se desplaza haci arriba pasando por la cámara para agua, y desplazarse luego sobr el lado exterior de los tubos de intercambio y la cámara d combustión. De esta manera se desplazan los gases encendidos e contracorriente con el agua, con aislamiento físico y en relació intercambiadora de calor con la misma. De preferencia se coloc un desviador por debajo de la cámara de combustión para desvia y distribuir el flujo del agua alrededor de la cámara d combustión. Además es preferible que los gases encendidos y e agua tengan temperaturas diferentes de manera que se establecer un gradiente de temperatura en el agua, en dirección de su flujo y así se enfrían los gases encendidos al bajar por los tubos provocando así que el vapor presente en los gases encendidos vay condensándose en los tubos cuando se llega al punto de rocío, sea el punto de la condensación de los gases encendidos. Est condensación proporciona una mayor transferencia de calor y un eficiencia más elevada. De preferencia se proporciona igualment un colector de escape por debajo de los tubos de intercambio fin de dirigir los productos de combustión a una compuerta d salida y para recoger el material de drenaje del agua condensada El elemento de control de temperatura incluye u medidor térmico y un elemento de control. El elemento medido térmico tiene un sensor para explorar la temperatura de la porciones salientes del agua y el elemento de control responde la temperatura percibida y controla la tasa de la transferenci térmica que se presenta entre los fluidos, modulando hacia e flujo del aire y del gas hacia el elemento de combustión.

De preferencia el elemento de control incluye u elemento de derivación el cual sirve para calcular la tasa del cambio de temperatura del agua y un elemento de retroalimentació que sirve para restar la temperatura de la porción saliente del agua desde una temperatura predeterminada por un punto d fijación, y también un elemento de sumar que sirve para genera una señal de control basada en la suma de los valores generados por el elemento de derivación y el elemento de retroalimentación.

Se prefiere que el elemento de control incluy igualmente una válvula para aire y combustible, la cual es responsiva a la señal de control para entregar flujos separados de aire y gas al elemento de combustión con una proporció virtualmente constante del aire y de los gases. Esta proporció entre aire y gas se mantiene en una relación programada como un función del flujo del gas de entrada. Es preferido que la válvula para aire y combustible sea una válvula rotatoria y que la rotación de la válvula sea básicamente responsiva en forma lineal a la señal de control .

La válvula para aire y combustible contiene una plac con orificios para el gas, que controla el flujo de este último De preferencia esta placa de orificios para el gas es una plac circular que cuenta con ranuras múltiples, y cada ranura cuent con una abertura angular y un largo radial que es variable po todo el intervalo o rango de la abertura angular.

La presente invención incluye también de preferencia u llamado tren para aire y combustible, que comprende una entrad para gas y aire, una válvula para gas para abrir y cerra selectivamente el flujo del gas, una válvula reguladora par mantener la baja en presión del gas constante por toda la válvul para aire y combustible, así como un elemento soplador ventilador que sirve para acelerar el flujo del aire.

Estas y otras características, así como diverso aspectos y ventajas de la presente invención se comprenderá mejor al tomarse nota de la siguiente descripción detallada, la reivindicaciones adjuntas y los dibujos que acompañan este texto: BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista tridimensional en perspectiv de una forma de realización del presente invento.

La Figura 2 es una vista lateral de un intercambiad de calor de una forma de ejecución del presente invento.

La Figura 3 es una vista inferior sobre intercambiador de calor de una forma de realización según es invento .

La Figura 4 es una vista desde arriba sobre un quemad de una forma de realización de acuerdo con el presente invent La Figura 5 es una vista en sección de una forma realización del presente invento que se toma por la línea A-A' la Figura 4.

La Figura 6 es una vista en corte de una -forma realización del presente invento que se toma por la línea B-B' la Figura 4.

La Figura 7 es una vista desde abajo del quemador acuerdo con una forma de realización según el presente invent La Figura 8 es un diagrama de bloques de trenes pa aire y gas de acuerdo con una forma de realización del present invento .

La Figura 9 es una vista lateral de una válvula par aire y combustible de acuerdo con una forma de realización segu el presente invento.

La Figura 10A es una vista desde arriba sobre una plac con orificios para el gas, de acuerdo con una forma d realización del presente invento.

La Figura 10B es una vista en sección de una forma d realización del presente invento que se ha tomado por la línea A A' de acuerdo con la Figura 10A.

La Figura 10C es una gráfica de una ranura de la plac de orificios para el gas de acuerdo con una forma de realizació según el presente invento, y La Figura 11 es un diagrama de bloques de u controlador de temperatura de acuerdo con una forma d realización según el presente invento.

DESCRIPCIÓN DETALLADA Haciendo referencia a los dibujos y en particular a l Figura 1, una forma de realización preferida del sistem calentador de agua según la presente invención incluye u intercambiador de calor 10, un quemador 20, un controlador d temperatura 30, una válvula para aire y combustible 40, una tom de gas 50, un colector de escape para gas 58, una toma de air 60, una boquilla de entrada para agua 70, una boquilla para l salida del agua 72 y un tablero de controles 80.

El intercambiador de calor 10 proporciona l trasferencia del calor entre un fluido (que de preferencia ser un gas caliente) y un líquido (de preferencia agua) de tal maner que cuando viaja el agua hacia arriba dentro del intercambiado de calor incrementa en cuanto a su temperatura para -establece así un gradiente de temperatura en la dirección del flujo de agua. Como se muestra en la Figura 1, el intercambiador de calo 10 incluye una cámara para agua 12, una cámara de combustión 1 y por lo menos un tubo pero de preferencia una pluralidad d tubos de intercambio de calor 16. La cámara para agua 12 encierr tanto la cámara de combustión 14 como los tubos intercambiadore de calor 16. La cámara de combustión 14 está situada en e extremo superior de la cámara para agua 12. Los tubos 16 está conectados a la parte inferior de la cámara de combustión 14 y s extienden hacia abajo pasando por la cámara para agua 12.

Más específicamente y haciendo referencia a la Figur 2 , la cámara para agua 12 consta de preferencia de un casc inferior cilindrico 121 unido a un casco superior cilindrico 122 mediante una junta de expansión 125 (la cual actúa para absorbe las tensiones causadas por la expansión térmica de los casos) . U anillo de respaldo 126 está soldado a tope al extremo inferior la junta de expansión 125 para soportar los cascos. El casc inferior 121 contiene una boquilla para entrada de agua 70 y casco superior 122 contiene una boquilla para la salida del ag 72. El casco inferior 121 contiene una brida soldada al diámetr exterior del casco para proporcionar un elemento para la unión un colector de escape para gas 58.

La cámara para agua consta de más de dos hojas de tubo a saber una hoja de tubo inferior 123 y una hoja de tubo superio 124. Estas llamadas hojas de tubo están constituidas por disco planos que cuentan con una pluralidad de orificios practicados e los mismos, y dentro de los cuales se ajustan los tubo intercambiadores de calor 16. Además la hoja de tubo superio contiene un círculo de orificios a lo largo de su borde exterio a través de los cuales puede pasar el agua. La hoja de tub inferior y la hoja de tubo superior están soldadas en s periferia a las partes inferiores del casco inferior 121 y de casco superior 122, respectivamente. Los tubos intercambiadore de calor 16 están soldados entre estas dos hojas de tubo.

La cámara de combustión consta de un casco cilindric 141 sobre el cual está soldada una junta de expansión 142 en e extremo superior. Además está soldado a tope un anillo d respaldo 143 a la junta de expansión para su soporte. La cámar de combustión 14 se ajusta dentro del casco superior 122 y est soldada en su extremo inferior a la hoja de tubo superior 124 Tanto la cámara de combustión 14 como el casco superior 122 está soldados en sus extremos superiores a una zona anular plana 128 misma que se identifica aquí con el término de cabeza superior Durante el funcionamiento entra el agua procedente d la boquilla de entrada para agua 70 y viaja hacia arriba pasand por la cámara que se encuentra en el casco inferior 121 par luego entrar en contacto con los lados exteriores de" los tubo intercambiadores de calor 16 a medida que vaya ascendiendo Cuando el agua llega a la hoja de tubo superior, pasa a través d los orificios que se encuentran al lado del borde exterior de l hoja de tubo para entrar en el canal anular creado por el casc superior 122 y el casco de la cámara de combustión 141. A parti de este canal anular el agua va saliendo por la boquilla d salida para agua 72. Cuando el agua viaja hacia arriba, los gase calientes se desplazan hacia abajo pasando por la cámara d combustión 14 y a través de los tubos intercambiadores de calo 16 en un auténtico sistema de contracorriente con respecto a flujo del agua. Los gases salen a través del colector, de escap para gas 58.

Así permite la presente invención que el agua vay desplazándose en un sistema de aislamiento físico con respecto los gases calientes, pero en una relación intercambiadora d calor con los mismos, pasando estos gases calientes a través d la cámara de combustión y los tubos intercambiadores de calo Cuando sube el agua en una auténtica contracorriente con l gases calientes, se transfiere calor al agua, causando así creación de un gradiente de temperatura en la dirección del flu del agua. Viceversa, cuando los gases van bajando, ellos s enfriados al pasar por los tubos intercambiadores de calor.

El movimiento de una auténtica contracorriente entre agua y los gases de acuerdo con la presente invención proporcio una sobresaliente eficiencia en el funcionamiento. Cuando s enfriados los gases hasta por debajo de su punto de rocío condensación, ellos van condensando, proporcionando así u aportación adicional de calor al agua, gracias a la liberación energía del agua condensada. De esta manera se alcanzan nivel de eficiencia superiores al 90%, los cuales no son posibles s la operación condensadora. Además es ventajosa la operaci condensadora toda vez que el movimiento de las gotitas del ag condensada o la película de gotitas que pasan a través de l tubos intercambiadores de calor, ayuda a eliminar cualqui partícula de carbono que podría acumularse en los tubo manteniéndose así una óptima transferencia térmica.

La modulación de acuerdo con el presente invento sob un amplio margen o rango constituye a la vez una ventaja para eficiencia de su operación. En vista de que la presente invenci permite la modulación en un amplio rango o intervalo, el inic de la condensación ocurre en diferentes posiciones a lo largo de tramo de los tubos intercambiadores de calor. Por consiguient puede decirse que cualquier corrosión que ocurra será distribuid entre los tubos intercambiadores de calor y tales elementos d corrosión no se irán acumulando en una misma área.

De preferencia, para optimizar la operación de intercambiador de calor es conveniente incluir un desviador 12 en la cámara para agua. Este desviador es soldado en la junta d expansión 125 justamente por debajo de la hoja de tubo superio 124 y sirve como un cambiador de dirección del flujo, qu optimiza así la distribución del flujo de agua dentro de intercambiador de calor. El desviador puede ser un disco circula y plano con un orificio central o también puede ser un disco co una sección indentada central que apunta hacia abajo y que cuent con aberturas por sus bordes .

Además, para optimizar en mayor grado la operación de intercambiador de calor es preferido que los componentes de intercambiador cumplan con las siguientes especificaciones. E primer lugar deben construirse los cascos para la cámara de air y la cámara de combustión de un tubo de acero al carbono de grad B. ASME/ANSI SA-53. En segundo lugar debe construirse la cabez superior de acero al carbono, grado 70, SA-516. En tercer luga debe constar la boquilla para la salida del agua de una brida d tipo r.f.s.o. 150 de 4 pulgadas o sea 10 centímetros co acoplamientos soldados en la misma para crear un interruptor de nivel del agua, un interruptor para el límite de la temperatur así como una válvula para el alivio de la presión. En cuart lugar deben construirse las hojas de tubo y los tubo intercambiadores de calor de acero inoxidable de tipo 316L. E quinto lugar debe corresponder un número preferido de tubos a l categoría 211. Y por último deben tener los tubos una corrugació en espiral formada en los mismos, sistema que fuerce a los gase que van pasando para que se sometan a un régimen turbulento de flujo con una velocidad menor que ocurre en aquellos diseños qu hacen uso de tubos suaves . Tal diseño permite crear u intercambiador más compacto. La presión resultante del ga inferior aminora a la vez la necesidad de tener intensificadore auxiliares e incrementa el intervalo o sea el rango d aplicaciones para el sistema.

Por encima de la cámara de combustión y el casc superior se encuentra el quemador 20, que enciende eficientement una mezcla de combustible a base de aire y gas a fin d proporcionar los gases calientes que se aprovechan para calenta el agua. Como se muestra en detalle en las Figuras 4 a 7, e quemador 20 es de preferencia un quemador para la mezcla, con un boquilla de inconel (en oposición a un quemador de premezcla) que cuenta con un casco exterior cilindrico 21 el cual encierr un tubo para gas 22 en su centro. El espacio entre el casc exterior 21 y un tubo para gas 22 define un canal anular de air 23. Un desviador anular 24 con compuertas para el paso del air está situado en la parte superior del canal para aire 23. Po encima de este desviador 24 está situado un conducto para aire e espiral 24, a través del cual entra el aire. La parte inferio del quemador 20 es defina por un conjunto de cabeza de quemado 26 que consta de un disco anular, plano 261 con una pare cilindrica 262 que cuenta con compuertas 263 para el paso del ga y del aire. El conjunto de la cabeza de quemador 26 est conectado a la cabeza superior 128 del intercambiador de calo con el empleo de un empaque correspondiente y los perno adecuados .

El diámetro del disco anular 262 y de la pared 262 del conjunto de la cabeza de quemador es menor que es menor que aquel del casco exterior 21. Así se forma un canal anular secundario 27 entre el casco exterior 21 y la pared de la cabeza de quemado 262. Este canal proporciona una segunda trayectoria para que pase el aire a través de la misma (el primer canal es aquel que pas a través de las compuertas 263 presentes en el disco anular del conjunto de cabeza de quemador) . Unas paletas 28 quedan soldadas de preferencia a la pared de la cabeza de quemador 262 (si embargo, ellas también pueden ser unidas mediante fundició integral), quedando dentro del canal anular secundario 27. Estas paletas imparten un alto grado de remolino a la corriente de aire y gas, que pasan a través del canal secundario.

El tubo para gas 22 contiene una compuerta para entrada de gas 221 en su extremo superior y un tapón para gas 2 en su extremo inferior. El tapón para gas 222 se proyecta p debajo del disco anular de la cabeza del quemador 262 y cuen con una pluralidad de compuertas primarias para gas 223. Est compuertas primarias para gas 223 están situad perpendicularmente a las compuertas 263 del disco anular 261 manera que el gas expulsado de las compuertas primarias para g 223 va incidiendo en ángulos rectos en el gas mientras que aire es expulsado de las compuertas 263 practicadas en el dis anular 263. Tal choque de gases produce una quema conveniente estable con tasas variables de liberación de energía, por lo cu se evita el fenómeno de oscilaciones provocadas por combustión.

Por encima del disco anular 261, la tubería para g contiene una pluralidad de tubos para gas 224 que se extiend radialmente de la tubería para gas para dirigirse hacia la par de la cabeza de quemador 262. Los tubos radiales 224 est arreglados en relación simétrica con las paletas 28. Estos tub permiten el mezclado del gas con el aire presente en el conjun de la cabeza de quemador por encima del disco anular 261 y dent del canal secundario 27.

El encendido de la mezcla de aire y gas se log mediante un electrodo de chispas de encendido 264 el cual es alojado en el conjunto de la cabeza de quemador 26. Cuando un mezcla de aire y gas pasa a través del conjunto de la cabeza d quemador, se logra instantáneamente el encendido de la mezcla. E conjunto de la cabeza de quemador puede alojar igualmente u electrodo detector de llama 265 para proporcionar un auxilia para detectar el encendido de la mezcla de aire y gas.

Ahora se describirá la operación completa del quemador El aire y el gas procedentes de la válvula para aire combustible 40 entran en el conducto para aire 25 y la compuert de entrada para gas 221, respectivamente. El aire avanza por u camino centrífugo pasando por el conducto para aire en espiral 2 y pasa a través del desviador anular 24. Después de pasar por e desviador, el aire entra en el canal para aire 23 y luego proced para entrar en el conjunto de la cabeza de quemador 26 o el cana secundario 27. Al mismo tiempo, el gas que entra en la compuert de entrada para gas 221, procede a través de la tubería para ga 22 y sale a través de los tubos radiales 225 o las compuerta primarias para gas 223. El gas que sale a través de los tubo radiales 224 se mezcla con el aire que pasa a través del conjunt de la cabeza de quemador o bien procede a través de la compuertas presentes en la pared de la cabeza de quemador par entrar en el canal secundario 27. En el canal secundario s mezcla el gas con el aire que pasa por esta zona y las paleta aseguran que vaya girando la mezcla con una velocidad mu elevada. La mezcla de gas y aire presente en el conjunto de l cabeza de quemador es encendida por el electrodo de chispas y a pasa a través de las compuertas presentes en el disco anular pa así mezclarse con el gas y encender este último, procediendo es gas de las compuertas primarias para gas y también la mezcla aire y gas que procede del canal secundario. Luego los gas calientes van avanzando en sentido descendente para entrar en cámara de combustión.

De preferencia, para optimizar la operación d quemador, es conveniente fabricar el casco exterior median fundición de aluminio y proporcionar una banda ' de ace inoxidable de tipo 310 sobre el lado interior del casco exteri en el área del canal anular secundario. Es igualmente convenien fabricar mediante fundición la cabeza del quemador con ace inoxidable de tipo 303 y construir las paletas de ace inoxidable.

El flujo de aire y gas que va hacia el quemador controlado por válvula para aire y combustible 40, que se muest en detalle en las Figuras 9 y 10A hasta 10C. Esta válvu comprende de preferencia una válvula rotatoria que cuenta con u entrada para el flujo de gas 42 conectada a una salida para flujo de gas 43 y una entrada para el flujo de aire 46 conecta a una salida para el flujo de aire 47. Las placas perforadas, sea las placas con orificios que se encuentran entre l trayectorias de los flujos de aire y de gas proporcion aberturas por áreas para cada flujo, sistema que permite un fluj separado pero relativamente proporcional hacia el quemador 2 (específicamente hacia el conducto para aire 25 y a la compuert para la entrada de gas 221) . Una flecha de válvula 45 conecta la dos placas con orificios y proporciona así la rotación de esta placas. De preferencia la rotación de la flecha de válvula en la placas con orificios proporciona un cambio en las aberturas po áreas, mismo que será linealmente responsivo a la señal d control que procede del controlador de temperatura 30. Preferiblemente se sitúan los flujos del aire y gas hacia e quemador 20 en una proporción virtualmente constante, lo cua produce un mezclado de aire y combustible en el quemador con u exceso de oxígeno del 5%. Se ha encontrado que esta proporció produce el mejor mezclado para la combustión.

Una forma de realización preferida de la placa co orificios 44 para la trayectoria del flujo del gas se muestra e detalle en las Figuras 10A a 10C. En contraste con las placa perforadas correspondientes a la técnica anterior, las cuale utilizan ranuras de diferente abertura angular y un largo radia constante, la presente invención utiliza ranuras con diferent apertura angular y también largos radiales variables. Específicamente utiliza la presente invención largos radiales qu varían por el intervalo o rango de una abertura angula correspondiente a una ranura. Se ha encontrado que el sistema d diferentes largos radiales y con un ángulo rotatorio permite un coincidencia mejor del flujo de gas respecto al flujo de aire fin de lograr así una proporción conveniente entre el aire y e combustible.

Como se muestra en las Figuras, como resultado de l fabricación y de las restricciones espaciales, por lo general s varían los largos radiales en ángulos rotatorios individuales. E las Figuras, los largos radiales varían en incrementos de 4. grados. Además, como se ha mostrado, son fijos los radio interiores de las ranuras en tanto que son variables los radio exteriores de las ranuras. Los expertos en la materia, por otr parte, se darán cuenta de que el principio de la present invención funcionaría igualmente bien con otras resolucione angulares y radios interiores variables .

Los trenes de gas y de aire que conducen a la válvul para aire y combustible 40 se muestran en la Figura 1 y s representan en forma de diagrama en la Figura 8. Como se muestra, el tren de gas incluye una entrada para gas 50 para el ga entrante, una válvula de cierre principal 52 para obtura manualmente el flujo de gas por razones de seguridad, una válvul de cierre de seguridad 54 que se utilizará en el sistem controlador de temperatura 30 durante el arranque y una válvul reguladora 56 que sirve para proporcionar una presión constant para el flujo del gas por la válvula de aire/combustible 40. D preferencia, la válvula reguladora es una reguladora de presió diferencial. El tren de aire incluye una entrada para aire 60 qu conduce a un ventilador o soplador 62 que acelera el flujo d aire y proporciona un flujo de aire bajo presión positiva haci la válvula para aire/ combustible y al quemador.

La presente invención incluye igualmente un sistem controlador de temperatura 30 para controlar la operación de l válvula para aire/combustible 40 y modular de esta manera l mezcla de aire y combustible al quemador 20. El sistem controlador de temperatura es responsable de regular l temperatura, monitorear la seguridad y para atender las funcione de diagnóstico de la presente invención. El sistema controlado de temperatura, utilizado en la presente invención, puede ser un unidad disponible en el mercado (por ejemplo, con el reemplazo d un arranque de motor 220 VAC para la unidad listada, aquell unidad mencionada en la lista del Proyecto UL Número 96NK5225) En la Figura 11 se muestra un diagrama en forma d bloques, que se refiere a la operación del sistema controlador d temperaturas. Como se muestra aquí, los componentes principale del sistema controlador de temperatura son el controlador d temperatura 31, la interfaz de válvula 33, el sistema d salvaguardia de combustión 34 y el llamado anunciador 36.

El controlador de temperatura 31 recibe múltiple entradas que corresponden a los diferentes modos de operación de controlador de temperatura. La entrada Tw representa l temperatura detectada del agua caliente que va saliendo; l entrada Tair representa la temperatura procedente de un senso del aire externo; la entrada BMS representa una señal a contro remoto procedente de un sistema de administración de la calder o calentador, y la entrada 4-20 ma es otra entrada de contro remoto. Pueden seleccionarse estos modos de operación a travé del tablero de controles 80.

Una vez que se ha seleccionado un modo de operación, e controlador de temperatura 31 calcula la tasa de cambio de l entrada de temperatura y un valor proporcional a la diferenci entre la entrada de temperatura y la temperatura correspondient al punto fijado, (la temperatura del punto de fijación pued establecida en el tablero de controles 80. El controlador d temperatura 31 suma estos valores y utiliza la suma para envia una señal de control a la interfaz de válvula 33. La interfaz d válvula 33 a su vez controla un motor de aumento por pasos 48, que gira a la flecha de válvula 45 que corresponde a la válvul para aire y combustible 40. Un potenciómetro de retroalimentació 49 suministra la información recíproca a la interfaz de válvul respecto a la posición rotatoria del motor de avance por pasos la flecha de válvula.

Cuando se elige el modo de operación BMS ó 4-20 ma, e controlador de temperatura puede recibir igualmente la tasa d combustión o quema directamente del controlador remoto, a opció del usuario. En estos modos actúa el controlador de temperatur como esclava y no ejecuta ningún cálculo.

El sistema de salvaguardia de combustión 34 e responsable de monitorear la seguridad de funcionamiento de l presente invención. El sistema de salvaguardia de combustió monitorea los interruptores que son disparados cuando l temperatura del agua, el nivel del agua, la presión del gas, l temperatura del gas de escape o el flujo de aire sobrepasen su límites mínimos o máximos predeterminados.

El sistema de salvaguardia de combustión 34 también e responsable de la cronometría de la secuencia de arranque, qu incluye los ciclos de purga y de encendido. Durante el arranqu el sistema de salvaguardia de combustión inicia un ciclo de purg de siete segundos, que limpia de la unidad cualquier combustibl que haya quedado atrás. El sistema de salvaguardia de combustió energiza al soplador 62 y obtura el gas cerrando la válvula d cierre de seguridad 54. A continuación abre el sistema d salvaguardia de combustión a la válvula para aire y combustibl 40 por completo y permite que el aire vaya purgando el sistem durante siete segundos. A raíz de la geometría conocida de l válvula de flujo de aire y el flujo de aire mínimo conocido qu pasa a través del sistema (asumiendo que no se ha movido e interruptor de flujo de aire bajo) , basta el período del ciclo d purga para garantizar la extracción de cualguier combustibl quedado atrás, de la unidad.

Al final del ciclo de purga, el sistema de salvaguardi de combustión inicia un ciclo de encendido. Este sistema d salvaguardia de combustión enciende al electrodo de chispas d encendido 264, gira a la válvula de aire y combustible 40 a l posición de quema baja y abre la válvula de cierre de segurida 54. Luego el sistema de salvaguardia de combustión verifica l presencia de una llama desde el electrodo detector de llama 265 Una vez que se haya detectado una llama, el sistema espera por u período de ocho segundos para llegar a la estabilización. Cuand después del período de estabilización todavía se detecta un llama, se libera la unidad para que comience a modular. De nuev cuenta, a raíz de la geometría conocida de la válvula para air y combustible, basta el período de estabilización para garantiza que el sistema esté operando correctamente.

El anunciador 36 monitorea las mismas señales de sistema como el sistema de salvaguardia de combustión 34. E anunciador proporciona una información de diagnóstico respecto estas señales, al tablero de controles 80. El objetivo de anunciador es sólo para fines de diagnóstico. En contraste con e sistema de salvaguardia de combustión, el anunciador no desempeñ ningún papel en la operación real del sistema.

Según se ha descrito, tiene la presente- invenció muchas ventajas. En primer lugar, como resultado del nuevo diseñ del intercambiador de calor, esta invención tiene una eficienci muy mejorada en comparación con los sistemas calentadore anteriores. Así, por ejemplo, tiene la presente invención un 54 más de transferencia de calor por cada pie cuadrado (1 pi cuadrado corresponde a 9.29 decímetros cuadrados) y el doble de valor en BTU por hora por cada pie cúbico (un pie cúbico equival a 28.3 litros) que el sistema calentador dado a conocer en l Patente 524. En segundo lugar, como resultado del diseño de lo tubos corrugados, la presente invención opera a menores presione de gas que los diseños anteriores que se refieren a tubos suaves En tercer lugar se ha mejorado la confiabilidad del quemador e comparación con los diseños anteriores gracias al uso de u conducto para aire en espiral, un encendedor rebajado y un diseñ de reducción de quema. Finalmente, como resultado de l colocación del quemador por encima de la cámara de combustión, este invento evite la condensación en el quemador.

La presente invención tiene igualmente un amplio rang o margen de usos. Por ejemplo será obvio, sin mayore consideraciones, que se puede utilizar la presente invención e sistemas de calentadores hidrónicos, sistemas de bombas térmica con fuentes de agua a temperaturas bajas o en cualquier sistem cerrado de agua caliente. Además puede utilizarse la present invención como tal o en combinación con otros intercambiador d calor a fin de proporcionar agua caliente doméstica. Com alternativa se puede aprovechar este invento en aquellos sistema de calefacción que suministran energía para calentamiento d espacios, sobre una base de priorización.

Si bien se ha descrito el presente invento haciend referencia a ciertas formas de realización preferidas, es posibl concebir otros modos de ejecución. Por lo tanto no deben esta limitados el espíritu y el alcance de las reivindicacione adjuntas a las formas de realización preferidas, contenidas e este texto descriptivo.

Claims (25)

R E I V I N D I C A C I O N E S

1. Un dispositivo calentador para proporcionar una transferencia térmica entre un primer fluido y un segundo fluido, el cual comprende : Un dispositivo de combustión para encender una mezcla de combustión de aire y gas a fin de producir el primer fluido; Una cámara de combustión acoplada al dispositivo de combustión mencionado y al menos un tubo de intercambio conectado a la cámara de combustión para recibir al primer fluido; Un recinto que rodea al tubo de intercambio,' presente al menos en cantidad de uno, para guiar el segundo fluido alrededor de tal tubo de intercambio, y Una válvula para aire y combustible acoplada al dispositivo de combustión para regular la mezcla combustible de aire y gas, comprendiendo la válvula para aire y combustión una placa de orificios para gas que cuenta con una ó varias ranuras, en que cada ranura tiene una abertura angular y un largo radial que es variable por todo un intervalo o rasgos correspondientes a la abertura angular.

2. Un dispositivo calentador para proporcionar u transferencia térmica entre un primer fluido y un segundo fluid el cual comprende : Un dispositivo de combustión para encender una mezc combustión de aire y gas a fin de producir al primer fluido; Una cámara de combustión acoplada al dispositivo combustión y al menos un tubo de intercambio conectado a cámara de combustión para recibir al primer fluido; Un recinto que rodea al citado tubo de intercambi presente al menos en número de uno, para guiar al segundo flui alrededor del tubo de intercambio, y Un conducto para aire en espiral acoplado dispositivo de combustión.

3. El dispositivo calentador, tal y como reivindica en la cláusula 2, caracterizado porque adem comprende un desviador situado entre el conducto para aire espiral y el dispositivo de combustión.

4. El dispositivo calentador, tal y como reivindica en las cláusulas 1 ó 2, caracterizado porque adem comprende una chimenea de escape acoplada a un colector escape, estando situado el colector de escape por debajo del tu de intercambio, presente al menos en un número de uno, pa recibir los fluidos de escape procedentes del tubo de intercamb y para guiar estos fluidos a través de la chimenea de esca hacia la atmósfera.

5. El dispositivo calentador, tal y como reivindica en las cláusulas 1 ó 2, caracterizado porque adem incluye un dispositivo de salvaguardia de combustión que inclu un sensor para detectar la temperatura del primer fluido escape, así como un elemento responsivo a al temperatura escape detectada para proporcionar una señal al controlador a f de proporcionar una indicación de las temperaturas de los gas humeantes por encima de un límite predeterminado.

6. El dispositivo calentador, tal y como reivindica en las cláusulas 1 ó 2, caracterizado porque el prim fluido es gas y el segundo fluido es agua.

7. El dispositivo calentador, tal y como reivindica en las cláusulas 1 ó 2, caracterizado porque recinto comprende una cámara de agua que tiene entrada y u salida entre las cuales pasa el segundo fluido y una cámara pa agua que encierra a la cámara de combustión.

8. El dispositivo calentador, tal y como reivindica en la cláusula 7, caracterizado porque está situado desviador en la cámara de agua por debajo de la cámara combustión, desviador que actúa para desviar y distribuir flujo del segundo fluido alrededor de la cámara de combustió

9. El dispositivo calentador, tal y como reivindica en la cláusula 7, caracterizado porque ade comprende una pluralidad de tubos de intercambio conectados a parte inferior de la cámara de combustión, extendiéndose l tubos por debajo de la cámara de combustión y a través de cámara para agua de tal manera que el primer fluido se despla hacia abajo por la cámara de combustión y luego a través de l tubos en aislamiento físico del segundo fluido y en relaci intercambiadora de calor con el mismo, y el segundo fluido subiendo por la cámara para agua, desplazándose alrededor de l tubos y luego al exterior de la cámara de combustión contracorriente con el flujo del primer fluido.

10. El dispositivo calentador, tal y como reivindica en la cláusula 9, caracterizado porque los tubos extienden hacia abajo desde la cámara de combustión s desviadores de soporte .

11. El dispositivo calentador, tal y como reivindica en la cláusula 9, caracterizado porque la "pluralid de tubos de intercambio comprende tubos de intercambio espaciad en intervalos iguales virtualmente, de los cuales cada uno extiende en línea recta hacia abajo desde la parte inferior de l cámara de combustión a la parte inferior de la cámara para agu

12. El dispositivo calentador, tal y como reivindica en la cláusula 11, caracterizado porque los fluid tienen diferentes temperaturas de manera que se establece gradiente de temperatura en el segundo fluido en dirección de s flujo, enfriándose el primer fluido cuando va bajando por l tubos en tanto que el segundo fluido que está por debajo de punto de condensación del primer fluido provoca que el vapo presente en el primer fluido vaya condensándose en los tubos .

13. El dispositivo calentador, tal y como s reivindica en la cláusula 2, caracterizado porque ademá comprende una válvula para aire y combustible acoplada a dispositivo de combustión para regular la mezcla combustible aire y gas .

14. El dispositivo calentador, tal y como s reivindica en las cláusulas 1 ó 13, caracterizado porque ademá comprende un sensor para detectar la temperatura de las porcione salientes del segundo fluido y un controlador acoplado a l válvula para aire y combustible que es responsivo a l temperatura detectada por el sensor a fin de controlar la tasa d la transferencia térmica entre el primer y el segundo fluid mediante una modulación del flujo del aire y del gas a través d la válvula para aire y combustible.

15. El dispositivo calentador, tal y como s reivindica en la cláusula 14, caracterizado porque el controlado incluye un elemento generador de señales que produce una seña derivada de la temperatura detectada, y un dispositivo para air y combustible responsivo a la señal para modular el flujo de aire y del gas hacia el elemento de combustión.

16. El dispositivo calentador, tal y como s reivindica en la cláusula 15, caracterizado porque el element generador de señales incluye un dispositivo de derivación qu sirve para calcular la tasa del cambio de temperatura del segund fluido, un elemento de retroalimentación que sirve para restar l temperatura de la porción saliente del segundo fluido desde un temperatura predeterminada mediante punto de fijación y u elemento de suma que sirve para generar la señal mencionad basada en la suma de los valores generados por el elemento d derivación y el dispositivo de retroalimentación.

17. El dispositivo calentador, tal y como s reivindica en la cláusula 15, caracterizado porque la válvul para aire y combustible es una válvula rotatoria que e responsiva en forma lineal a la señal para avanzar flujo separados de aire y gas hacia el dispositivo de combustión en u proporción virtualmente constante entre aire y gas, la cual mantiene en una relación programada como una función del flu del gas de entrada.

18. El dispositivo calentador, tal y como reivindica en la cláusula 17, caracterizado porque el flujo gas es de un carácter virtualmente lineal con la rotación de válvula para aire y combustible.

19. El dispositivo calentador, tal y como reivindica en la cláusula 18, caracterizado porque la válvu para aire y combustible incluye una entrada para aire y u entrada para gas, en que la proporción virtualmente constan entre el aire y el gas produce un exceso de oxígeno del orden 5%.

20. El dispositivo calentador, tal y como reivindica en la cláusula 19, caracterizado porque el dispositi para aire y combustible incluye asimismo una válvula regulado para mantener constante la baja de presión del gas que pasa p la válvula para aire y gas de tal manera que a través de es válvula para aire y combustible se establece un fluj virtualmente lineal de gas.

21. El dispositivo calentador, tal y como s reivindica en la cláusula 20, caracterizado porque el dispositiv para aire y combustible comprende además: Un elemento de entrada de gas que proporciona el fluj entrante de gas; Una válvula para gas que sirve para abrir y cerra selectivamente el flujo de gas; Una entrada de aire para proporcionar el flujo entrant de aire y soplador para acelerar el flujo del aire a la entrad para aire de la válvula.

22. El dispositivo calentador, tal y como se -reivindic en la cláusula 17, caracterizado porque el dispositivo d combustión comprende un quemador de mezcla con boquilla.

23. El dispositivo calentador, tal y como se reivindic en la cláusula 22, caracterizado porque el quemador para mezcl con boquilla incluye: Una tubería para gas abierta en su parte superior par recibir el gas de la válvula para aire y combustible que tiene u tapón para el gas en su extremo inferior, teniendo ese tapón po lo menos una compuerta para gas para la salida del mismo, y Una cámara para aire, 'cilindrica, que encierra l tubería para gas, que tiene (a) un casco exterior que define u canal para aire entre el casco y la tubería para gas, (b) u desviador anular que cubre la parte superior de la cámara qu cuenta con una entrada para aire para recibir el aire de l válvula de flujo de aire y (c) un conjunto de cabeza de quemado situado en la parte inferior de la cámara que tiene una salid primaria para proporcionar una salida para el aire procedente de canal .

24. El dispositivo calentador, tal y como s reivindica en la cláusula 23, caracterizado porque el conjunto d cabeza de quemador contiene una porción plana anular que tiene u diámetro menor al diámetro del casco exterior y una pare cilindrica conectada al borde exterior de la porción anular, e que la tubería para gas contiene por lo menos un tubo para ga que se extiende radialmente hacia fuera desde la tubería para ga en dirección al casco exterior, proporcionando el tubo para ga presente al menos en cantidad de uno, un conducto para introduci el gas en un área situada justamente por encima de la porció anular del conjunto de la cabeza de quemador, en que la pare cilindrica del conjunto de la cabeza de quemador contiene un salida secundaria para la salida de gas y aire y la pare cilindrica del conjunto de cabeza de quemador y el casco exterio de la cámara para aire forman un canal secundario para el pas del gas y del aire.

25. El dispositivo calentador, tal y como reivindica en la cláusula 24, caracterizado porque el quemad para mezcla con boquilla comprende además unas paletas 'giratori formadas en el canal secundario en relación asimétrica con tubo de gas, presente al menos en cantidad de uno, estan adaptadas las paletas giratorias para girar la mezcla de aire gas a una velocidad muy alta por el extremo inferior del can secundario. R E S U M E N Un dispositivo calentador de agua que comprend (a) un elemento de combustión para encender una mezcl combustible de aire y gas para calentar agua, (b) u intercambiador de calor que incluye una cámara para combustión una pluralidad de tubos intercambiadores conectados a la part inferior de la cámara de combustión, extendiéndose los tubos po debajo de la cámara de combustión y a través de la cámara par agua de tal manera que el flujo de los gases calientes a travé de la cámara de combustión pasan luego a través de los tubos e un estado de aislamiento físico con respecto al agua pero e relación de intercambio de calor con la misma, y el agua v pasando alrededor de los tubos y luego por el exterior de l cámara de combustión en contracorriente con los gases calientes y (c) un elemento de control de temperatura para controlar l temperatura del agua que incluye un medidor térmico que cuent con un sensor para detectar la temperatura de las porcione salientes del agua y un elemento de control responsivo a l temperatura detectada para controlar la tasa de la transferenci térmica entre los fluidos mediante la modulación del flujo de aire y del gas que se dirigen al elemento de combustión.